ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано в схемах инверторов и регуляторов напряжения.
Известна схема инвертора напряжения, в которой для уменьшения энергии динамических потерь используется вспомогательная резонансная цепь, обеспечивающая переключение основных ключей инвертора при нулевом напряжении (см. патент США №4864483, опубл. 01.05.1989, МПК - H02М 7/5387). Недостатком данного решения является необходимость ограничения напряжения на резонансном конденсаторе.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является инвертор напряжения (см. патент США №5047913, МПК Н02М 7/521, опубл. 10.09.1991), содержащий стойку из двух последовательно соединенных источников ЭДС, средняя точка которой образует общую точку инвертора, и стойку из двух последовательно соединенных основных ключей, средняя точка которой образует точку фазы инвертора, к каждому основному ключу параллельно присоединены встречно-параллельный диод и резонансный конденсатор, внешние выводы обеих стоек соединены друг с другом положительной и отрицательной шиной питания, а между точкой фазы и общей точкой инвертора включена цепь последовательно соединения резонансного дросселя и вспомогательного двунаправленного по току ключа.
Недостатком данного решения является то, что снижение энергии динамических потерь при запирании основных ключей инвертора можно обеспечить только за счет увеличения емкости внешних конденсаторов, что ведет к снижению частоты коммутации. Другим недостатком указанного решения является проблема перезаряда резонансных конденсаторов относительно большой емкости при малых токах нагрузки.
Технической задачей предлагаемого решения является более эффективное, по сравнению с прототипом, снижение энергии динамических потерь в основных ключах инвертора напряжения и повышение КПД его работы.
Технический результат предлагаемого решения заключается в реализации режима энергоэффективной коммутации ключей инвертора при нулевом напряжении в процессе их отпирания и при нулевом токе в процессе их запирания при относительно малых емкостях резонансных конденсаторов.
Это достигается тем, что известный инвертор напряжения, содержащий стойку из двух последовательно соединенных источников ЭДС, средняя точка которой образует общую точку инвертора, и стойку из двух последовательно соединенных основных ключей, средняя точка которой образует точку фазы инвертора, к каждому основному ключу параллельно присоединены встречно-параллельный диод и резонансный конденсатор, внешние выводы обеих стоек соединены друг с другом положительной и отрицательной шиной питания, а между точкой фазы и общей точкой инвертора включена цепь последовательно соединения резонансного дросселя и вспомогательного двунаправленного по току ключа, снабжен двумя дополнительными резонансными конденсаторами, а вспомогательный двунаправленный по току ключ выполнен по схеме встречно-параллельного соединения первого и второго однонаправленного по току ключа, каждый из которых состоит из последовательного соединения дополнительного диода и управляемого ключа со встречно - параллельным диодом, при этом первый дополнительный резонансный конденсатор подключен между точкой соединения катода дополнительного диода и управляемого ключа первого однонаправленного по току ключа и положительной шиной питания, второй дополнительный резонансный конденсатор подключен между точкой соединения анода дополнительного диода и управляемого ключа второго однонаправленного по току ключа и отрицательной шиной питания, точка соединения дополнительных диодов подключена к общей точке инвертора, а точка соединения управляемых ключей соединена с резонансным дросселем.
Сущность полезной модели поясняются чертежами, на Фиг. 1. представлен инвертор напряжения с резонансной коммутацией, на Фиг. 2. представлена диаграмма переключения основного ключа инвертора.
Инвертор напряжения с резонансной коммутацией содержит стойку 1 из двух последовательно соединенных источников ЭДС 2 и 3, при этом средняя точка стойки 1 образует общую точку инвертора 4, и стойку 5 из двух последовательно соединенных основных ключей 6 и 7, при этом средняя точка стойки 5 образует точку фазы 8 инвертора. К каждому из основных ключей 6 и 7 параллельно присоединены встречно-параллельный диод 9 и 10 и резонансный конденсатор 11 и 12, соответственно. Внешние выводы обеих стоек 1 и 5 соединены друг с другом положительной 13 и отрицательной 14 шиной питания, а между точкой фазы 8 и общей точкой 4 инвертора включена цепь последовательно соединения резонансного дросселя 15 и вспомогательного двунаправленного по току ключа 16. Инвертор имеет два дополнительных резонансными конденсаторами 17 и 18, вспомогательный двунаправленный по току ключ 16 выполнен по схеме встречно-параллельного соединения первого 19 и второго 20 однонаправленного по току ключа. Каждый из однонаправленных по току ключей 19 и 20 состоит из последовательного соединения дополнительного диода 21 и 22 и управляемого ключа 23 и 24 со встречно - параллельным диодом 25 и 26, соответственно. Первый дополнительный резонансный конденсатор 17 подключен между точкой соединения катода дополнительного диода 21 и управляемого ключа 23 первого однонаправленного по току ключа 19 и положительной шиной питания 13. Второй дополнительный резонансный конденсатор 18 подключен между точкой соединения анода дополнительного диода 22 и управляемого ключа 24 второго однонаправленного по току ключа 20 и отрицательной шиной питания 14.
Точка соединения дополнительных диодов 21 и 22 подключена к общей точке 4 инвертора, а точка соединения управляемых ключей 23 и 24 соединена с резонансным дросселем 15.
Инвертор напряжения с резонансной коммутацией работает следующим образом.
H
H
H
Полагаем, что в начальный момент времени ток нагрузки I втекает в точку фазы 8 инвертора. Считаем, что при этом основной ключ 7 заперт и ток нагрузки I замыкается по цепи встречно-параллельного диода 9 основного ключа 6, который является противофазным относительно основного ключа 7. При заданном направлении тока нагрузки I емкость резонансного конденсатора 12 заряжена до напряжения Е, равного сумме напряжений E/2 каждого из источников ЭДС 2 и 3. Емкость резонансного конденсатора 11 при этом разряжена до нулевого напряжения. Емкость второго дополнительного резонансного конденсатора 18 заряжена до напряжения E/2, а емкость первого дополнительного резонансного конденсатора 17 разряжена до нуля. Управляемые ключи 23 и 24 заперты и начальный ток резонансного дросселя 15 равен нулю.
H
Рассмотрим полный цикл коммутации тока нагрузки I от встречно-параллельного диода 9 основного ключа 6 к основному ключу 7 и обратно. Данный цикл имеет следующие основные интервалы.
1. Интервал нарастания тока в резонансном дросселе 15.
15
При включении управляемого ключа 24 через открытый диод 9 к резонансному дросселю 15 прикладывается напряжение E/2 от источника ЭДС 2. При этом ток I резонансного дросселя 15 увеличивается по линейному закону:
15
где L- индуктивность резонансного дросселя 15.
15
Плавное нарастание тока I резонансного дросселя 15 обеспечивает включение управляемого ключа 24 при нулевом токе.
15
Первый интервал заканчивается, когда ток I резонансного дросселя 15
H
нарастает до величины тока нагрузки I. При этом встречно-параллельный диода 9 основного ключа 6 запирается. Длительность первого интервала равна:
2. Интервал разряда резонансного конденсатора 12 и отпирания основного ключа 7 при нулевом напряжении.
12
После запирания встречно-параллельный диода 9 основного ключа 6 между резонансным дросселем 15 и резонансными конденсаторами 11 и 12 начинается колебательный процесс, при котором напряжение U на резонансном конденсаторе 12 снижается:
где - круговая частота колебательного процесса
11
12
разряда резонансного конденсатора 12; C и С - емкости резонансных конденсаторов 11 и 12, соответственно.
Отметим, что полный разряд резонансного конденсатора 12 в соответствии с формулой (3) возможен только при условии ограничения напряжения на втором дополнительном резонансном конденсаторе 18 на уровне Е/2.
В представленном решении это обеспечивается применением однонаправленного по току ключа 20, диод 22 которого не только задает единственно возможное направление тока в ключе 20, но и выполняет функцию ограничителя напряжения на втором дополнительном резонансном конденсаторе 18 на уровне Е/2.
2
Через интервал времени Δt напряжение на резонансном конденсаторе 12 достигает нуля:
После разряда резонансного конденсатора 12 на основной ключ 7 подается сигнал управления, и основной ключ 7 отпирается при нулевом напряжении.
3. Интервал сброса тока в резонансном дросселе 15.
После отпирания основного ключа 7 управляемый ключ 24 все еще находится в открытом состоянии, и к резонансному дросселю 15 прикладывается напряжение обратной полярности от источника ЭДС 3 равное по величине Е/2. При этом ток в резонансном дросселе 15 начинает спадать по линейному закону:
3
Через интервал времени Δt ток в резонансном дросселе 15 снижается до нуля, и управляемый ключ 24 выключают при нулевом токе.
4
4. Интервал перезаряда дополнительного резонансного конденсатора 18. После запирания управляемого ключа 24 по цепи открытого основного ключа 7 через встречно-параллельный диод 26 управляемого ключа 24 начинается колебательный процесс между резонансным дросселем 15 и вторым дополнительным резонансным конденсатором 18. В результате напряжение величиной Е/2 на втором дополнительным резонансным конденсатором 18 меняет свою полярность. Длительность перезаряда Δtдополнительного резонансного конденсатора 18 равна:
18
где С - емкость дополнительного резонансного конденсатора 18.
5. Интервал проводимости основного ключа 7.
5
H
В соответствии с заданным алгоритмом управления инвертором в течение времени Δt основной ключ 7 находится в состоянии проводимости. При этом ток нагрузки I протекает по цепи основного ключа 7.
6. Интервал запирания основного ключа 7 при нулевом токе.
H
После окончания интервала проводимости отпирается управляемый ключ 24 и в последовательном контуре, образованном индуктивностью резонансного дросселя 15 и емкостью второго дополнительного резонансного конденсатора 18, начинается резонансный процесс. При этом в основном ключе 7 появляется дополнительный ток, направленный встречно по отношению к току нагрузки I:
где - волновое сопротивление последовательного контура;
- круговая частота резонансного процесса.
Плавное изменение тока в течение резонансного процесса обеспечивает включение управляемого ключа 24 в режиме нулевого тока.
6
p2
7
H
Через интервал времени Δt равный четверти периода резонансной частоты ω ток I снижается до нуля и основной ключ 7 запирается при нулевом токе. Напряжение на втором дополнительном резонансном конденсаторе 18 снижается при этом практически до нуля, а ток в резонансном дросселе 15 становится равным току нагрузки I
7. Интервал заряда второго дополнительного резонансного конденсатора 18.
H
Н
Поскольку ток резонансного дросселя 15 равен току нагрузки I, а основной ключ 7 заперт, начинается линейный заряд второго дополнительного резонансного конденсатора 18 током нагрузки I:
7
Интервал заряда Δt заканчивается при увеличении напряжения на втором дополнительном резонансном конденсаторе 18 до значения Е/2, при котором отпирается диод 22 однонаправленного по току ключа 20:
8,
p1
8. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе 15. После отпирания диода 22 между резонансным дросселем 15 и резонансными конденсаторами 11 и 12 начинается колебательный процесс частотой . При этом через интервал Δt, равный четверти периода резонансной частоты ω, ток в цепи резонансного дросселя снижается до нуля, и управляемый ключ 24 запирается при нулевом токе.
9. Интервал заряда резонансного конденсатора 12.
H
9
После запирания управляемого ключа 24 резонансные конденсаторы 11 и 12 линейно перезаряжаются током нагрузки I. При этом длительность интервала Δt определяется по формуле:
H
По окончании последнего интервала резонансный конденсатор 12 заряжается до начального напряжения Е, а резонансный конденсатор 11 разряжается до нуля. При этом включается встречно-параллельный диод 9 основного ключа 6, на который переходит ток нагрузки I, и цикл коммутаций завершается.
При изменении направления тока нагрузки от точки фазы 8, в начальный момент времени он будет замыкаться по цепи встречно- параллельного диода 10 основного ключа 7. Полный цикл коммутации тока нагрузки от встречно-параллельного диода 10 основного ключа 7 к основному ключу 6 будет иметь те же девять интервалов, что и для рассмотренного ранее цикла. При этом для обеспечения коммутации основного ключа 6 при нулевом напряжении и токе будет использоваться резонансная цепь с первым однонаправленным по току ключом 19 и с первым дополнительным резонансным конденсатором 17, который подключен между точкой соединения катода дополнительного диода 21 и управляемого ключа 23 и положительной шиной питания 13.
Предложенное устройство было исполнено и применено для трехфазного инвертора напряжения.
На Фиг. 2 представлена диаграмма одного цикла коммутаций основного ключа 7 инвертора.
Масштаб по вертикали:
S
Напряжение U(t) ключа 7: (канал 1) - 200 В/дел.
S
Ток I(t) ключа 7: (канал 2) - 10 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 1,0 мкс/дел.
Использование изобретения обеспечивает отпирание основных ключей инвертора при нулевом напряжении и их запирается при нулевом токе. При этом энергия динамических потерь при коммутации практически равна нулю, что повышает КПД схемы инвертора.