СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫМ КЛЮЧОМ
RESONANCE KEY CONTROL METHOD

Предложение относится к силовой электронике, в частности к управлению гибридными силовыми модулями и может быть использовано при разработке преобразователей с энергетически эффективными методами резонансной коммутации.
Наиболее эффективным способом снижения мощности динамических потерь в полупроводниковых ключах является активное разделение фронтов его тока и напряжения, который на практике реализуется с помощью различных методов резонансной коммутации.
Резонансный ключ (РК) состоит из соединения полупроводникового элемента с колебательным контуром LC - контуром. Резонансная LC - цепь формирует «плавную» траекторию изменения напряжения и тока полупроводникового ключа и обеспечивает его коммутацию в режимах нулевого напряжения и тока. Наиболее эффективным решением является применение РК с составным последовательно - параллельным LCC контуром. При отпирании полупроводникового ключа составная схема работает как параллельный LC - контур, обеспечивающий принудительный сброс напряжения до нулевого уровня в его выходной цепи. При запирании полупроводникового ключа составная схема работает как последовательный LC - контур, формирующий ток, направленный встречно по отношению к току нагрузки, обеспечивая выключение полупроводникового ключа при нулевом токе. Неотъемлемым элементом схемы РК, используемой в преобразователях с широтно-импульсным методом регулирования (ШИМ), является вспомогательный полупроводниковый ключ. Назначение данного ключа - в активации резонансного процесса в необходимый момент времени. Как правило, активацию резонансного процесса необходимо осуществлять непосредственно перед включением и непосредственно перед выключением основного полупроводникового ключа в составе РК. При этом вспомогательный ключ должен отпираться на относительно короткий интервал времени, однако достаточный для того, чтобы резонансный процесс в выходной цепи основного ключа обеспечил нулевой уровень напряжения при включении и нулевой уровень тока при выключении.
Известен способ управления резонансным ключом (RU 2457600 G1, 27.07.2012), при котором вспомогательный ключ отпирается дважды на относительно короткое время в каждом из циклов коммутаций. Первый раз он отпирается непосредственно перед включением основного ключа, что обеспечивает резонансный разряд выходной емкости основного ключа, и создает условие его последующего отпирания при нулевом напряжении. Второй раз вспомогательный ключ отпирается непосредственно перед выключением основного ключа, что обеспечивает резонансный сброс тока в выходной цепи основного ключа, и создает условие его последующего запирания при нулевом токе. Недостатком данного способа управления является то, что длительности импульсов управления вспомогательным ключом помимо основных интервалов, необходимых для проведения главных резонансных процессов, обеспечивающих нулевые уровни напряжения и тока основного ключа, содержат внутри себя дополнительные интервалы. В первом импульсе управления это половина периода резонансной частоты последовательного LC - контура, необходимая для дополнительного перезаряда резонансного конденсатора данного контура. Во втором импульсе управления это интервал времени необходимый для линейного заряда резонансного конденсатора до напряжения источника питания током нагрузки, и еще один интервал времени, равный три четверти периода резонансной частоты последовательного LC - контура, возникающий автоматически и обеспечивающий начальное напряжение на резонансном конденсаторе контура для следующего цикла коммутаций.
Начальные моменты времени импульсов управления вспомогательным ключом синхронизированы с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем. Однако их конечные длительности из-за наличия указанных дополнительных интервалов, являются параметрами, зависящими от тока нагрузки, напряжения источника питания и допусков разброса номинальных значений конденсаторов и индуктивностей резонансных контуров. Все это приводит к необходимости составления отдельных алгоритмов управления как вспомогательным, так и основным ключом в составе РК. При этом длительности импульсов управления основным ключом не синхронизированы с длительностью логических импульсов ШИМ управления, которые исходно задаются системой управления для формирования требуемого качества выходного сигнала преобразователя. Кроме того, зависимость моментов времени, при которых в основном ключе реализуются нулевые напряжения и токи, от параметров электрического режима схемы и параметров резонансной цепи требует установки дополнительных датчиков контроля, усложняющих конструкцию схемы.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является способ управления резонансным ключом (RU 169427 U1, 16.03.2017), при котором вспомогательный ключ отпирается дважды на относительно короткое время в каждом из циклов коммутаций. Первый раз он отпирается непосредственно перед включением основного ключа, что обеспечивает резонансный разряд выходной емкости основного ключа, и создает условие его последующего отпирания при нулевом напряжении. Второй раз вспомогательный ключ отпирается непосредственно перед выключением основного ключа, что обеспечивает резонансный сброс тока в выходной цепи основного ключа, и создает условие его последующего запирания при нулевом токе. При этом начальные моменты времени импульсов управления вспомогательным ключом синхронизированы с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем. В отличие от предыдущего аналога длительности сигналов управления вспомогательным ключом прототипа зависят практически только от длительности резонансных процессов, формирующих нулевое напряжение и нулевой ток в выходной цепи основного ключа в составе РК. При этом минимальная длительность первого сигнала управления (непосредственно перед отпиранием основного ключа) выбирается как четверть периода резонансной частоты параллельного LC - контура, а минимальная длительность второго сигнала управления (непосредственно перед запиранием основного ключа) выбирается как четверть периода резонансной частоты последовательного LC - контура. Недостатком данного способа управления является то, что длительность импульса управления основным ключом по-прежнему не синхронизирована с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем. Данное обстоятельство определяется тем, что, как правило, значения емкостей составного LCC - контура являются разными. Вследствие этого минимально необходимая длительность первого импульса управления вспомогательным ключом не равняется длительности второго импульса управления. Другим недостатком прототипа является зависимость минимальных длительностей импульсов управления вспомогательным ключом от допусков номинальных параметров резонансных LC - контура, относительное влияние которых усиливается при увеличении частоты коммутаций.
Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечения одинаковых длительностей импульсов управления вспомогательным ключом и их независимость от электрического режима работы схемы и параметров разброса номинальных значений элементов резонансной цепи. Тем самым обеспечивается синхронизация импульсов управления всеми ключевыми элементами в составе РК с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем, что позволяет сохранять требуемое качество выходного сигнала преобразователя при переходе от классических методов жесткой коммутации к энергетически более эффективным резонансным методам.
Технический результат достигается тем, что способ управления резонансным ключом, при котором вспомогательный ключ в составе резонансного ключа отпирается дважды в каждом из циклов коммутаций, при этом начало первого импульса управления вспомогательным ключом синхронизируют с передним фронтом ШИМ сигнала в логической последовательности сигналов системы управления преобразователем, начало второго импульса управления вспомогательным ключом синхронизируют с задним фронтом ШИМ сигнала, начало длительности импульса управления основным ключом в составе резонансного ключа синхронизируют с задним фронтом первого импульса управления вспомогательным ключом, а окончание длительности импульса управления основным ключом синхронизируют с задним фронтом второго импульса управления вспомогательным ключом, отличающийся тем, что в каждый из циклов коммутаций резонансного ключа вводят два дополнительных интервала свободной циркуляции части тока резонансного дросселя в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом, последовательно соединенным с ним резонансным дросселем, а также встречно-параллельным диодом основного ключа и его противофазным диодом, при этом длительность первого импульса управления вспомогательным ключом устанавливают равной длительности второго импульса управления вспомогательным ключом, а импульс управления основным ключом становится равным по длительности импульсу ШИМ сигнала и сдвинутым относительно его переднего фронта на фиксированную по времени величину.
Сущность предложенного изобретения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.
Фиг. 1 Диаграммы логических импульсов в соответствии с представленным способом управления.
Фиг. 2 Схема коммутации тока нагрузки резонансным ключом.
Фиг. 3 Диаграммы логических импульсов, напряжение и ток основного ключа в процессе коммутации при номинальных значениях параметров схемы и электрического режима ее работы.
Фиг. 4 Диаграммы логических импульсов, напряжение и ток основного ключа в процессе коммутации при отклонении параметров от номинальных значений.
Фиг. 5 Экспериментальные диаграммы логических импульсов управления, напряжения и тока основного ключа в процессе коммутации.
Фиг. 1 содержит три диаграммы логических импульсов управления в соответствии с предложенным способом управления. На первой диаграмме представлен ШИМ сигнал 1 в последовательности логических сигналов системы управления преобразователем 1.
На второй диаграмме представлены - первый импульс управления 2 вспомогательным ключом и равный ему по длительности второй импульс управления 3 вспомогательным ключом в составе РК. При этом начало первого импульса управления 2 вспомогательным ключом синхронизировано с передним фронтом ШИМ сигнала 1, а начало второго импульса управления 3 вспомогательным ключом синхронизировано с задним фронтом ШИМ сигнала 1.
На третьей диаграмме представлен импульс управления 4 основным ключом в составе РК. Начало импульса управления 4 синхронизировано с задним фронтом первого импульса управления 2 вспомогательным ключом. При этом конец импульса управления 4 синхронизирован с задним фронтом второго импульса управления 3 вспомогательным ключом. При равной длительности импульсов управления 2 и 3 вспомогательным ключом импульс управления 4 основным ключом сдвинут относительно ШИМ сигнала 1 на величину фиксированной задержки и равен по длительности ШИМ сигналу 1.
Осуществление заявляемого способа управления резонансным ключом рассмотрим на примере схемы коммутации непрерывного тока нагрузки Фиг. 2.
Фиг. 2 представляет базовую схему коммутации тока нагрузки Iн с источником напряжения питания схемы Е и резонансным ключом в качестве коммутирующего элемента схемы. В состав РК входят: основной ключ со встречно параллельным диодом 7; последовательно соединенная с основным ключом составная диодная схема 8, содержащая противофазный основному ключу 7 диод 9 и последовательно присоединенный к нему дополнительный противофазный диод 10; вспомогательный ключ 11; резонансная цепь 12, в состав которой входят два резонансных LC - контура с магнитно-связанными резонансными дросселями L1 и L2 одинаковой индуктивности L и индуктивностью магнитной связи M=L и конденсаторами С1 и С2; дополнительный диод 13.
Основные диаграммы, иллюстрирующие процессы коммутации в схеме Фиг. 2, представлены на Фиг. 3 при номинальных значениях параметров схемы и электрического режима ее работы.
Фиг. 3 содержит диаграммы логических импульсов управления резонансным ключом в соответствии с предложенным способом управления и синхронизированные с ними по времени диаграммы напряжения 5 и тока 6 основного ключа в составе РК. Здесь же указаны основные интервалы отдельного цикла коммутаций, запускаемого заданным ШИМ сигналом 1.
Пусть в начальный момент времени основной ключ 7 и вспомогательный ключ 11 находятся в разомкнутом состоянии. Тогда ток нагрузки Iн протекает по цепи открытых диодов 9 и 10 в составной диодной схеме 8. Начальное напряжение на выходной емкости С1 основного ключа 4, равно при этом значению Е. Поскольку противофазный диод 9 открыт, начальное напряжение на емкости С2 равно нулю. При разомкнутом вспомогательном ключе 11 начальные значения токов в индуктивностях L1 равны нулю.
Цикл коммутаций начинается в момент времени t0 с приходом ШИМ сигнала 1, передний фронт которого запускает импульс управления вспомогательным ключом 8.
Интервал (t1 - t0).
Данный интервал включает в себя линейное нарастание тока в индуктивности L, последовательно соединенной со вспомогательным ключом 8, и резонансный процесс разряда конденсатора С1 после того, как ток в индуктивности L1 достигает величины тока нагрузки Iн. Длительность линейного нарастания тока в индуктивности L1 зависит от параметров электрического режима схемы Е и Iн, а длительность разряда конденсатора С1 равна четверти периода резонансной частоты процесса, протекающего в параллельном резонансном контуре, образованном индуктивностью L1 и емкостью конденсатора С1:
В устройстве прототипа сразу после разряда конденсатора С1 вспомогательный ключ 11 запирался, а на основной ключ 7 подавался сигнал управления, что обеспечивало отпирание основного ключа 7 при нулевом напряжении.
Интервал (t2 - t1).
В представленном способе управления после разряда конденсатора С1 вспомогательный ключ 11 остается в замкнутом состоянии. При этом в цикл коммутаций вводится первый дополнительный интервал, основанный на свободной циркуляции части тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом 11, резонансным дросселем L1, а также встречно-параллельным диодом основного ключа 7 и его противофазным диодом 9. Током циркуляции ΔI является часть тока резонансного дросселя L1, превышающая величину тока нагрузки Iн, которая образовалась в результате поглощения дросселем L1 дополнительной энергии при разряде емкости конденсатора С1. Величина начального тока циркуляции определяется формулой:
где  - волновое сопротивление параллельного резонансного контура L1C1.
При активном сопротивлении короткозамкнутого контура, составляющем единицы мОм, постоянная времени затухания тока циркуляции во много раз превосходит длительность первого дополнительного интервала. В результате чего величину тока циркуляции на всей длительности первого дополнительного интервала можно считать неизменной и равной значению ΔI. Обозначим длительность первого дополнительного интервала символом ΔТ1. При этом ΔT1=t3-t2.
Интервал (t3 - t2).
По завершении интервала ΔТ1 вспомогательный ключ 11 запирается, а основной ключ 7 отпирается, забирая на себя ток нагрузки Iн. За счет магнитной связи между индуктивностями резонансной цепи 12, ток, накопленный в индуктивности дросселя L1, равный сумме тока нагрузки Iн и тока циркуляции ΔI, переводится в индуктивность дросселя L2, после чего данный ток при помощи дополнительного диода 13 заряжает емкость конденсатора С2 до начального напряжения:
где  - волновое сопротивление резонансного контура L2C2.
Интервал t4 - t3.
C2
2
H
По окончании длительности ШИМ сигнала 1, его задний фронт запускает второй импульс 3 управления вспомогательным ключом 13 в рассматриваемом цикле коммутаций. При этом индуктивность резонансного дросселя L1 и емкость конденсатора С2, образуют последовательный резонансный контур, который формирует ток, направленный встречно току нагрузки в основном ключе. Волновое сопротивление данного контура ввиду равенства индуктивностей резонансных дросселей L1 и L2 соответствует значению . Когда через четверть периода резонансной частоты последовательного резонансного контура L1C2 емкость конденсатора С2 полностью разряжается, амплитуда встречного тока достигает значения: U(0)/ρ=I+ΔI и рассматриваемый интервал заканчивается. В устройстве прототипа сразу после разряда конденсатора С2 вспомогательный ключ 11 запирался. При этом снимался сигнал управления и с основного ключа 7, что обеспечивало его запирание при нулевом токе.
Интервал (t5 - t4).
В представленном способе управления после разряда конденсатора С2 вспомогательный ключ 11 остается в замкнутом состоянии. При этом в цикл коммутаций вводится второй дополнительный интервал, основанный на свободной циркуляции тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом 11, резонансным дросселем L1, а также встречно-параллельным диодом основного ключа 7 и его противофазным диодом 9. Обозначим длительность второго дополнительного интервала символом ΔТ2. При этом ΔT2=t6-t5.
Интервал (t6 - t5).
По завершении интервала ΔТ2 вспомогательный ключ 11 запирается. При этом снимается импульс управления 4 с основного ключа 7, после чего он запирается при нулевом токе. За счет магнитной связи между индуктивностями резонансной цепи 12, ток, накопленный в индуктивности дросселя L1, равный сумме тока нагрузки 1н и тока циркуляции ΔI, переводится в индуктивность дросселя L2, после чего данный ток при помощи дополнительного диода 13 начинает заряжать емкость конденсатора С2. Однако, при выключенном основном ключе 7 ток нагрузки Iн через открытый дополнительный противофазный диод 10 одновременно начинает разряжать емкость конденсатора С2 и заряжать емкость конденсатора С1. После того как конденсатор С1 зарядится до напряжения источника питания Е, конденсатор С2 полностью разрядится. При этом откроется противофазный диод 9 и ток нагрузки Iн полностью перейдет в цепь составной диодной схемы 8. По завершении последнего интервала начальные токи и напряжения на всех элементах РК вернутся к исходным начальным значениям, и схема РК будет готова к новому циклу коммутаций, начало которому будет задавать последующий ШИМ сигнал.
Рассмотрим влияние отклонения параметров электрического режима схемы (Е и Iн) и параметров компонентов резонансной цепи 12 (L1, L2, С1 и С2) от номинальных значений на длительности интервалов коммутаций, которое поясняется диаграммами на Фиг. 4.
Максимальная длительность первого интервала (t1max-t0) определяется по формуле:
При всех других допустимых значениях параметров длительность первого интервала (t1-t0) будет короче, при этом минимальное значение длительности первого интервала (t1min-t0) будет равно:
Отметим, что изменение параметра Е, в соответствие с формулой (2) будет приводить к изменению амплитуда тока циркуляции ΔI.
Выбирая длительность первого сигнала управления 2 вспомогательным ключом 11 из условия:
получаем независимость выполнения условия отпирания основного ключа 7 при нулевом напряжении от изменения параметров. При этом разница между максимальной длительностью первого интервала (t1max-t0) и остальными возможными, но более короткими интервалами (t1-t0), будет компенсироваться первым дополнительным интервалом ΔТ1 свободной циркуляции тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура.
Максимальная длительность временного интервала (t4max-t3) определяется по формуле:
При всех других допустимых значениях параметров длительность временного интервала (t4-t3) будет короче, при этом минимальное значение длительности данного интервала (t4min-t3) будет равно:
Выбирая длительность второго сигнала управления 3 вспомогательным ключом 11 из условия:
получаем независимость выполнения условия запирания основного ключа 7 при нулевом токе от изменения параметров. При этом разница между максимальной длительностью временного интервала (t4max-t3) и остальными возможными, но более короткими интервалами (t4-t3), будет компенсироваться вторым дополнительным интервалом ΔТ2 свободной циркуляции тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура.
Введение двух новых интервалов ΔT1 и ΔТ2 в цикл коммутаций позволяет установить также равными длительности первого 2 и второго 3 сигналов управления вспомогательным ключом 11 и синхронизировать импульс управления 4 основным ключом 7 с импульсом ШИМ сигнала 1.
Из двух максимальных по времени длительностей интервалов (t1max-t0) и (t4max-t3) выбирается тот, который является наибольшим. В схемах РК данного типа емкость конденсатора С2 значительно больше емкости конденсатора С1. По этой причине практически всегда выполняется условие: (t4max-t3)>(t1max-t0). Поэтому длительность второго сигнала управления 3 вспомогательным ключом 11 по-прежнему выбирают из условия (9). При этом для установления равенства Δt2=Δt3 длительность первого 2 сигнала управления вспомогательным ключом 11 искусственно увеличивают за счет добавочной длительности первого дополнительного интервала свободной циркуляции на величину:
При этом длительность импульса управления 4 основным ключом 7 в составе РК, становится равной длительности импульса ШИМ сигнала 1 в логической последовательности сигналов системы управления преобразователем и сдвинутой относительно его переднего фронта на фиксированную по времени величину. Таким образом, в представленном способе управления обеспечивается синхронизация импульсов управления всеми ключами в составе РК с классическими сигналами ШИМ последовательности.
В подтверждение достигнутого результата в предложенном способе управления резонансным ключом на Фиг. 5 представлены экспериментальные данные процесса коммутации непрерывного тока индуктивной нагрузки величиной 100 А в схеме, аналогичной Фиг. 2, с источником напряжения питания 600 В.
На Фиг. 5 показаны следующие диаграммы:
- логические импульсы управления: первый 2 и второй 3 импульсы управления вспомогательным ключом 11 одинаковой длительности 150 не и импульс управления 4 основным ключом 7 в составе РК длительностью 1 мкс;
- синхронизированные по времени с импульсами управления напряжение 5 и ток 6 основного ключа 7 в процессе коммутации.
Масштаб по вертикали: для логических импульсов управления 2, 3 и 4 - 10 В на деление; для напряжения основного ключа 7 - 500 В на деление; для тока основного ключа 7 - 100 А на деление. Масштаб по горизонтали для всех диаграмм - 200 нс на деление.