РЕЗОНАНСНЫЙ КОММУТАТОР (ВАРИАНТЫ)
RESONANCE COMMUTATOR SWITCH (VERSIONS)

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.
Н
ВЫХ
Пусть в начальный момент времени первый ключ 1 замкнут, а второй ключ 2 разомкнут. Тогда ток дросселя Lф входного фильтра, обозначенный как ток I 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 U и обеспечивает передачу энергии в нагрузку Н.
В начале цикла коммутаций происходит запирание первого ключа 1.
1. Интервал заряда конденсатора 3.
Н
При выключении первого ключа 1 ток нагрузки I начинает протекать через конденсатор 3, вызывая линейное нарастание напряжения на нем и обеспечивая тем самым выключение первого ключа 1 при нулевом напряжении:
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3
3
где С - емкость конденсатора 3; U - напряжение на конденсаторе 3.
1
ВЫХ
Через интервал времени Δt напряжение на конденсаторе 3 достигает значения U и диод D отпирается:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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:
<mrow><mrow><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow><mrow /></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mi>t</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub><mi>cos</mi><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mi>t</mi></mtd></mtr></mtable><mo>}</mo></mrow><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
р
4
4
где
- волновое сопротивление резонансного контура; ω - круговая частота резонанса; I - ток дросселя 4; L - 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:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3. Интервал паузы.
При закрытом втором ключе 2 в схеме обеспечивается требуемый интервал паузы.
4. Конечный интервал резонанса.
3
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 Δt 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:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt><mo stretchy="false">(</mo><mi>arcsin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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.
Н
При достижении током дросселя 4 значения тока нагрузки I 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.
ВЫХ
Выходное напряжение на конденсаторе Сф фильтра: U=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.