СИЛОВОЙ КОММУТАТОР
POWER COMMUTATION SWITCH

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.
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 за счет изменения частоты коммутации.
Наиболее близким по технической сути является решение (см. патент США №5262930, опубл. 16.11.1993), включающее силовой коммутатор с параллельно присоединенным к нему резонансным дросселем. Подключение силового коммутатора с параллельным резонансным дросселем последовательно с основным ключом преобразователя обеспечивает мягкую коммутация основного ключа при нулевом напряжении и снижает энергию динамических потерь в схеме. При этом в схеме используется широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и мощности при постоянной частоте коммутации. Однако процесс выключения при нулевом напряжении не позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь в мощных силовых коммутаторах с биполярным механизмом передачи тока (IGBT, GTO, IGCT). Для практического применения подобного решения требуется существенное замедление скорости изменения напряжения на основном ключе за счет подключения к его выходной цепи внешнего конденсатора относительно большой емкости.
Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в следующем:
1. Один вспомогательный силовой коммутатор с резонансным LLC контуром может использоваться для мягкой коммутации сразу двух ключевых элементов преобразователя: основного ключа и ему противофазного.
2. Подключение параллельно вспомогательному силовому коммутатору дополнительного конденсатора позволяет обеспечить предварительный разряд выходной емкости и отпирание основных ключей преобразователя при нулевом напряжении.
3. Подключение последовательно со вспомогательным силовым коммутатором дополнительного дросселя позволяет обеспечить плавное изменение тока в контуре коммутации и запирание основных ключей преобразователя при нулевом токе, что, в отличие от ближайшего аналога, исключает применение дополнительных конденсаторов относительно большой емкости, подключаемых параллельно к каждому из основных ключей.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в силовом коммутаторе, содержащем ключ с параллельно присоединенным к нему дросселем, причем один из выводов ключа образует первый силовой вывод коммутатора, в соответствии с настоящим изобретением параллельно к ключу присоединен конденсатор, а последовательно - дополнительный дроссель, свободный вывод которого образует второй силовой вывод коммутатора.
При этом точка соединения ключа с дополнительным дросселем может образовывать дополнительный силовой вывод коммутатора.
Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг.1 представлен силовой коммутатор в соответствии с изобретением.
На Фиг.2 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 с дополнительным силовым выводом.
На Фиг.3 представлена схема ближайшего аналога.
На Фиг.4 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 при его подключении к базовому контуру коммутации последовательно с основным ключом.
На Фиг.5 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.4.
На Фиг.6 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 при его подключении к базовому контуру коммутации последовательно с противофазным диодом.
На Фиг.7 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.6.
На Фиг.8 представлен силовой коммутатор по Фиг.2 при его подключении к базовому контуру коммутации с дополнительным дросселем, включенным последовательно с противофазным диодом.
На Фиг.9 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.8.
На Фиг.10 представлен силовой коммутатор по Фиг.2 при его подключении к базовому контуру коммутации с дополнительным дросселем, включенным последовательно с основным ключом.
На Фиг.11 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.10.
На Фиг.12 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.13 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.14 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, в котором дополнительный дроссель подключен последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.15 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, в котором дополнительный дроссель подключен последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.16 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора напряжения.
На Фиг.17 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения.
На Фиг.18 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора.
На Фиг.19 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с дополнительным ключом.
На Фиг.20 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора).
На Фиг.21 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с дополнительным ключом).
На Фиг.22 представлено три силовых коммутатора по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с ключами катодной группы инвертора.
На Фиг.23 представлено три силовых коммутатора по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с ключами анодной группы инвертора.
На Фиг.24 представлено три силовых коммутатора по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами катодной группы инвертора).
На Фиг.25 представлено три силовых коммутатора по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами анодной группы инвертора).
Устройство (Фиг.1) содержит: ключ 1, дроссель 2, конденсатор 3 и дополнительный дроссель 4. На чертежах показаны также первый силовой вывод 5 и второй силовой вывод 6.
Дроссель 2 и конденсатор 3 включены параллельно ключу 1, дополнительный дроссель 4 включен последовательно с ключом 1, при этом положительный вывод ключа 1 образует первый силовой вывод 5, а свободный вывод дополнительного дросселя 4 образует второй силовой вывод 6.
Как показано на Фиг.2, точка соединения ключа 1 с дополнительным дросселем 4 образует дополнительный силовой вывод 7 устройства.
Предложенное устройство работает следующим образом.
2
3
4
Рассмотрим работу силового коммутатора при его подключении к базовому контуру коммутации, к схеме которого сводятся контуры коммутации тока в регуляторах напряжения, инверторах и активных выпрямителях (Фиг.4). Данная схема содержит основной ключ S со встречно-параллельным диодом, противофазный диод D, источник J тока и источник Е напряжения. Силовой коммутатор с резонансным LLC контуром в соответствии с изобретением подключается последовательно к основному ключу S. Элементы резонансного LLC контура имеют следующие параметры: дроссель 2 - индуктивность L; конденсатор 3 - емкость С; дополнительный дроссель 4 - индуктивность L.
0
0
В начальный момент времени основной ключ S выключен, а силовой коммутатор 1 включен, и через него замыкается начальный ток дросселя 2, равный величине I. Значение I будет определено далее. Соответственно состоянию ключей напряжение на конденсаторе 3 и ток дополнительного дросселя 4 равны нулю. Ток J нагрузки замыкается через противофазный диод D.
Представим основные интервалы мягкой коммутации тока нагрузки от диода D на ключ S и обратно.
Выключение ключа 1 при нулевом напряжении и включение основного ключа S при нулевом напряжении.
Снятием сигнала управления выключают ключ 1, который за счет параллельно включенного конденсатора 3 выключается при нулевом напряжении. При этом ток дросселя 2 начинает заряжать конденсатор 3:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mrow></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mrow></mrow>
где
;
.
Тогда напряжение на основном ключе S изменяется в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>S</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                                       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Если выполняется условие:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mo>≥</mo><mi>E</mi><mtext>                                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
C3
основной ключ S может быть включен при нулевом напряжении за счет спада напряжения U(t) до нулевого уровня через интервал времени:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mi>arcsin</mi><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mtext>                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mrow>
Включение ключа 1 при нулевом напряжении.
После включения основного ключа S в работу вступает дополнительный дроссель 4, при этом изменяется резонансная частота в LLC контуре, которая становится равной:
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mrow><mtext>                                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
.
Напряжение на конденсаторе 3 будет изменяться в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                                        </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mrow></mrow></msqrt></mrow>
где
.
При условии:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><mo>≥</mo><mi>E</mi><mtext>                                                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>7</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
ключ 1 можно включить при нулевом напряжении через интервал времени:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>+</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>8</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
В конце данного интервала ток дросселя 2 спадает практически до нуля, а в основном ключе S появляется отрицательный ток ΔI, протекающий через встречно-параллельный диод ключа S:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mtext>                                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>9</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Линейное нарастание тока в основном ключе S и выключение противофазного диода при нулевом токе.
После включения ключа 1 ток основного ключа S будет изменяться по линейному закону:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mtext>                                                          </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
3
Через интервал времени Δt ток основного ключа S достигает значения тока нагрузки, а противофазный диод D запирается при нулевом токе:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>J</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mi>E</mi></mfrac><mtext>                                                               </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>11</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Далее ток J нагрузки протекает через основной ключ S, находящийся во включенном состоянии в течение интервала проводимости.
Выключение ключа 1 при нулевом напряжении и включение противофазного диода D при нулевом токе.
Снятием сигнала управления выключают ключ 1, который за счет параллельного конденсатора 3 выключается при нулевом напряжении. При этом напряжение на конденсаторе 3 изменяется в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                                                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>12</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
4
C3
4
Через интервал времени Δt напряжение U(t) возрастает до напряжения Е источника, и противофазный диод D включается при нулевом токе, поскольку ток нагрузки по-прежнему протекает через дополнительный дроссель 4 и основной ключ S. Значение Δt можно определить по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mi>arcsin</mi><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow><mtext>                                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>13</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
4
Через интервал времени Δt ток дросселя 2 возрастает до значения:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>J</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>J</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>14</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Выключение основного ключа S при нулевом токе.
После включения противофазного диода LLC контур подключается к источнику Е напряжения.
При этом напряжение на конденсаторе 3 начинает изменяться в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>+</mo><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                                          </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>15</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ток в дросселе 2 изменяется в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>J</mi><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                                </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>16</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ток в дополнительном дросселе 4 и основном ключе S изменяется в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub><msub><mrow /><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>S</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>J</mi><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mi>t</mi><mtext>                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>17</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Если выполняется условие:
<mrow><mi>J</mi><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>≥</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mtext>                                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>18</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
ток дополнительного дросселя 4 достигает нулевого значения, и основной ключ S можно выключить при нулевом токе.
На данном интервале в основном ключе S появляется отрицательный ток, протекающий через его встречно-параллельный диод. Амплитуда отрицательного тока определяется выражением:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>J</mi><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mtext>                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>19</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Длительность интервала выключения основного ключа S при нулевом токе определяется формулой:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>+</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                                   </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>20</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
После выключения основного ключа S ток дросселя 2 увеличивается до значения:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>J</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>J</mi><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mi>E</mi><mo>/</mo><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>+</mo><mfrac><mi>E</mi><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>+</mo><mi>arcsin</mi><mfrac><mi>E</mi><mrow><mi>J</mi><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>21</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
5
Отметим, что напряжение на конденсаторе 3 в конце интервала Δt, спадает практически до нуля.
Восстановление начальной энергии в LLC контуре и включение ключа 1 при нулевом напряжении.
1
При выключенном основном ключе S и ключе 1 в параллельном LC контуре, образованном дросселем 2 и конденсатором 3, начинается колебательный процесс с частотой ω:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>C</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>t</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext>                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>22</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
L2
5
0
При этом на конденсаторе 3 появляется отрицательное по отношению к ключу 1 напряжение. Через половину периода резонансной частоты ω напряжение на конденсаторе 3 спадает до нулевого значения, а ток дросселя 2 достигает начального значения I(Δt), но с обратным знаком. Таким образом, в дросселе 2 восстанавливается начальное значение тока I, с которого и начинался цикл коммутации:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>23</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Очевидно, что импульс управления на ключ 1 необходимо подать в течение рассматриваемого полупериода, тогда по его окончании произойдет автоматическое включение ключа 1 при нулевом напряжении.
После восстановления начальной энергии в LLC контуре можно начинать новый цикл коммутации и т.д.
Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для рассмотренного варианта представлены на Фиг.5, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:
Напряжение источника Е питания = 80 B.
Ток J нагрузки = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.
Масштаб по вертикали:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 4 мкс/дел.
Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если силовой коммутатор с резонансным LLC контуром выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.6). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении силового коммутатора с резонансным LLC контуром в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта показаны на Фиг.7, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:
Напряжение источника Е питания = 500 B.
Ток J нагрузки = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.
Масштаб по вертикали:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 4 мкс/дел.
Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если дополнительный дроссель 4 выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.8). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении дополнительного дросселя 4 в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта представлены на Фиг.9, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:
Напряжение источника Е питания = 500 B.
Ток J нагрузки = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.
Масштаб по вертикали:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 4 мкс/дел.
Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если ключ 1 с параллельно подключенными к нему дросселем 2 и конденсатором 3 выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.10). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении ключа 1 с параллельно подключенными к нему дросселем 2 и конденсатором 3 в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта представлены на Фиг.11, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:
Напряжение источника Е питания = 500 B.
Ток J нагрузки = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.
Масштаб по вертикали:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 4 мкс/дел.
Принцип работы силового коммутатора с резонансным LLC контуром не изменяется при применении различных типов ключей: биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT и др.
Далее рассмотрим варианты конкретного применения предложенного устройства.
В преобразователях постоянного напряжения повышающего типа контур коммутации состоит из основного транзистора Т, противофазного ему диода D, источника напряжения на выходном фильтровом конденсаторе Сф и источника тока во входном дросселе Lф. Подключение силового коммутатора с резонансным LLC контуром в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.12, 13, 14, 15) позволяет обеспечить мягкую коммутацию ключевых элементов преобразователя.
На Фиг.12 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.13 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.14 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, дополнительный дроссель подключен последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
На Фиг.15 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, дополнительный дроссель подключен последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).
В трехфазных инверторах напряжения дополнительный ключ Ta в цепи постоянного тока инвертора, встречно-параллельные диоды ключевого блока инвертора, источник Е входного напряжения и входной ток инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром. На Фиг.16 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора напряжения последовательно с дополнительным ключом Та.
В трехфазных активных выпрямителях напряжения дополнительный диод Da в цепи постоянного тока инвертора, основные ключи ключевого блока активного выпрямителя, источник выходного напряжения на фильтровом конденсаторе Сф и выходной ток активного выпрямителя образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром. На Фиг.17 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения последовательно с дополнительным диодом Da.
В трехфазных инверторах тока дополнительный ключ Та в цепи постоянного тока инвертора, однонаправленные ключи ключевого блока инвертора, источник входного тока на фильтровом дросселе Lф и напряжение на входе инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.18, 19, 20, 21) может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром.
На Фиг.18 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора.
На Фиг.19 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с дополнительным ключом.
На Фиг.20 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора).
На Фиг.21 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с дополнительным ключом).
На стороне переменного тока трехфазных инверторов напряжения верхний и нижний ключ в стойке ключей каждой из фаз инвертора, источник Е постоянного напряжения и фазный ток инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.22, 23, 24, 25) может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром.
На Фиг.22 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с основными ключами катодной группы инвертора. При этом коммутация основных ключей анодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей анодной группы можно рассматривать как включенные последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей катодной группы.
На Фиг.23 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с основными ключами анодной группы инвертора. При этом коммутация основных ключей катодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей катодной группы можно рассматривать как включенные последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей анодной группы.
На Фиг.24 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами катодной группы инвертора). При этом коммутация основных ключей анодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей анодной группы можно рассматривать как решение по Фиг.2 с дополнительными дросселями, включенными последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей катодной группы.
На Фиг.25 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дроссели включены последовательно с ключами анодной группы инвертора). При этом коммутация основных ключей катодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей катодной группы можно рассматривать как решение по Фиг.2 с дополнительными дросселями, включенными последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей анодной группы.