Устройство обнуления напряжения квазирезонансного типа
DEVICE FOR ZERO-VOLTAGE QUASI-RESONANCE TYPE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях электроэнергии.
Одним из способов повышения надежности и КПД, улучшения ЭМС преобразователей электроэнергии, является коммутация их силовых ключей при нулевом напряжении (Zero-Voltage-Switching (ZVS)) [1-3]. Для реализации выключения силового ключа при нулевом напряжении используют конденсатор, подсоединенный параллельно силовому ключу, перехватывающий на себя ток силового ключа в процессе его выключения и ограничивающий скорость нарастания напряжения на силовом ключе. Однако наличие этого конденсатора влечет за собой необходимость его предварительного разряда перед включением силового ключа. Одним из способов указанного разряда является применение Устройства Обнуления Напряжения (далее - Устройства).
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому решению и взятым за прототип является устройство обнуления напряжения квазирезонансного типа [2, 3], состоящее из дросселя, автотрансформатора, ключа, первого и второго диодов, причем первый вывод дросселя подсоединен к средней точке автотрансформатора, второй вывод дросселя является первым выводом Устройства, первый вывод автотрансформатора подсоединен к первому выводу ключа и первому выводу первого диода, второй вывод ключа является вторым выводом Устройства, второй вывод автотрансформатора подсоединен к первому выводу второго диода, второй вывод второго диода является третьим выводом Устройства.
Недостатками такого устройства являются:
1) сужение диапазона ШИМ силового полумоста (далее - ПМ), по крайней мере, на одном силовом ключе которого обнуление напряжения осуществляется упомянутым Устройством, происходящее вследствие того, что быстрое размагничивание автотрансформатора после срабатывания Устройства происходит только в течение первой части периода ШИМ, когда упомянутый силовой ключ удерживают в открытом состоянии, и напряжение размагничивания достаточно велико. Во второй части периода ШИМ, когда открыт противоположный силовой ключ ПМ, напряжение размагничивания автотрансформатора, ограниченное открытыми силовым ключом ПМ и вторым диодом, может быть недостаточно для завершения размагничивания. Следовательно, продолжительность первой части периода ШИМ не может быть меньше времени, необходимого для размагничивания.
2) снижение надежности вследствие излишне высокого напряжения между первым и вторым выводами автотрансформатора в процессе размагничивания в первой части периода ШИМ, возникающего вследствие того, что напряжение DC оказывается приложенным между первым выводом и средней точкой автотрансформатора. При этом напряжение между первым и вторым выводами автотрансформатора будет равно напряжению DC, умноженному на коэффициент трансформации. Это приводит к появлению на первом диоде обратного напряжения, в разы превышающего напряжение DC и может потребовать применения высоковольтных и, соответственно, менее быстродействующих и менее надежных диодов.
Попытка решить вышеописанную проблему применением двух последовательно соединенных низковольтных и поэтому более быстродействующих диодов [3], приводит к снижению надежности вследствие неравномерного распределения напряжения между диодами из-за разброса их параметров.
Наличие импульсного режима работы значительно усугубляет ситуацию повышением вероятности начала барьерного, коронного и скользящего разрядов в автотрансформаторе, приводящим к выходу его из строя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение диапазона ШИМ и повышение надежности работы Устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается за счет того, что в устройство обнуления напряжения квазирезонансного типа, состоящее из дросселя, автотрансформатора, ключа, первого и второго диодов, причем первый вывод дросселя подсоединен к средней точке автотрансформатора, второй вывод дросселя является первым выводом Устройства, первый вывод автотрансформатора подсоединен к первому выводу ключа и первому выводу первого диода, второй вывод ключа является вторым выводом Устройства, второй вывод автотрансформатора подсоединен к первому выводу второго диода, второй вывод второго диода является третьим выводом Устройства, введены третий диод, первый и второй источники напряжения, например, конденсаторы с разрядными резисторами, причем первый вывод третьего диода подсоединен ко второму выводу автотрансформатора, второй вывод третьего диода подсоединен к первому выводу первого источника напряжения, второй вывод первого источника напряжения подсоединен ко второму выводу ключа, первый вывод второго источника напряжения подсоединен ко второму выводу первого диода, а второй вывод второго источника напряжения подсоединен ко второму выводу второго диода.
Сущность изобретения поясняется рисунком (фиг. 1), на котором представлена схема Устройства, обнуляющего напряжение на верхнем силовом ключе ПМ, результатами моделирования работы (фиг. 2) и осциллограммами работы реального Устройства (фиг. 3).
Элементы схемы, не меняющие сущность изобретения, не показаны.
Устройство, обнуляющее напряжение на нижнем силовом ключе ПМ, выполнено и работает аналогично по сути.
Устройство состоит из дросселя 2, автотрансформатора 3, ключа 4, первого 5 и второго 6 диодов, причем первый вывод дросселя подсоединен к средней точке автотрансформатора (точка T_L), второй вывод дросселя, являющийся первым выводом Устройства, подсоединен к средней точке ПМ, первый вывод автотрансформатора подсоединен к первому выводу ключа и первому выводу первого диода (точка T_VT), второй вывод ключа, являющийся вторым выводом Устройства, подсоединен к шине DC+, второй вывод автотрансформатора подсоединен к первому выводу второго диода (точка T_VD), второй вывод второго диода, являющийся третьим выводом Устройства, подсоединен к шине DC-, введенных третьего диода 7, первого 8 и второго 9 источников напряжения, например, конденсаторов с разрядными резисторами, причем первый вывод третьего диода подсоединен ко второму выводу автотрансформатора (точка T_VD), второй вывод третьего диода подсоединен к первому выводу первого источника напряжения, второй вывод первого источника напряжения подсоединен ко второму выводу ключа, первый вывод второго источника напряжения подсоединен ко второму выводу первого диода, а второй вывод второго источника напряжения подсоединен ко второму выводу второго диода.
Устройство, обнуляющее напряжение на верхнем ключе ПМ, работает следующим образом (фиг. 1). Все указываемые напряжения отсчитываются относительно шины DC-. До срабатывания Устройства нижний силовой ключ ПМ включен, и напряжение на верхнем силовом ключе ПМ высокое. Тогда перед включением верхнего силового ключа ПМ на нем проводят обнуление напряжения путем квазирезонансного подъема напряжения V_out на средней точке ПМ. Для этого выключают нижний силовой ключ ПМ и включают ключ Устройства. Между первым выводом автотрансформатора (далее - AT) и вторым выводом дросселя появляется напряжение, равное напряжению между шинами DC. Это приводит к нарастанию в дросселе тока I_L, который в автотрансформаторе разветвляется на две обмотки с числом витков N1 и N2. Ток, текущий по обмотке N2, проходит через второй диод, удерживая напряжение на втором конце автотрансформатора на низком уровне. При этом на средней точке автотрансформатора возникает напряжение, определяемое отношением числа витков N1/N2. Для нормальной работы Устройства это напряжение должно превышать половину напряжения DC, то есть N1<N2.
До достижения током дросселя внешнего вытекающего тока нагрузки I_out ПМ, напряжение на выходе ПМ остается на низком уровне, ток дросселя нарастает линейно. Далее происходит «квазирезонансный» подъем напряжения на средней точке ПМ, формируемый дросселем и емкостями ПМ, при этом ток дросселя проходит через максимум, а напряжение на верхнем силовом ключе ПМ уменьшается до нуля. Этим достигается цель - обнуление напряжения на верхнем силовом ключе ПМ. Сразу после этого верхний силовой ключ ПМ открывают и удерживают в открытом состоянии на время согласно параметрам ШИМ. При этом ток дросселя линейно спадает до нуля. Для предотвращения динамических потерь ключ Устройства следует удерживать во включенном состоянии до окончания спада тока дросселя. Верхний силовой ключ ПМ в это время так же следует удерживать во включенном состоянии, чтобы не началось повторное нарастание тока дросселя. Время срабатывания устройства от включения ключа Устройства до окончания тока дросселя задает допустимый интервал ШИМ.
После спада тока дросселя до нуля начинаются процессы, обеспечивающие размагничивание AT.
Пока верхний силовой ключ ПМ продолжают удерживать во включенном состоянии, процесс размагничивания AT происходит следующим образом. После прохода через ноль появляется ток дросселя в обратном направлении, который разделяется между обмотками N1 и N2 и накладывается на ток намагничивания AT, накопившийся за время срабатывания устройства и протекающий от вывода 1 к выводу 2 AT. Ток обмотки N2, вытекающий из вывода 2 AT, вызывает нарастание напряжения на втором выводе AT, сопровождающееся квазирезонансным перезарядом паразитных емкостей элементов схемы. Напряжение на втором выводе AT благодаря наличию добавленного третьего диода ограничивается выше напряжения DC+ напряжением первого источника напряжения. Ток обмотки N1, вытекающий из вывода 1 AT, и равный соответствующей части обратного тока дросселя за вычетом значительно меньшего по величине тока намагничивания AT, удерживает нулевое напряжение на ключе устройства.
Между выводами 1 и 2 AT появляется обратное напряжение, равное напряжению первого источника напряжения, и начинается размагничивание AT. Вследствие значительно меньшей индуктивности дросселя по сравнению с AT ток вывода 1 AT быстро уменьшается до нуля, напряжение на выводе 1 AT опускается ниже напряжения DC+ так, что напряжение на средней точке AT через малое индуктивное сопротивление дросселя удерживается близким к напряжению DC+. Напряжение первого источника напряжения оказывается приложенным между вторым и средним выводами AT и размагничивание AT ускоряется. После окончания размагничивания напряжения на всех выводах AT устанавливаются на уровне напряжения DC+.
Такой процесс размагничивания в любой момент может быть прерван переключением ПМ в соответствие с ШИМ. После переключения ПМ и спада до нуля напряжения на средней точке ПМ обратный ток дросселя, если он успел возникнуть, может ненадолго удерживать высокий уровень напряжения на выводах 1 и 2 AT. После чего напряжения на первом и втором выводах AT также понижаются. Третий диод запирается, а оставшиеся ток намагничивания AT и обратный ток дросселя вызывают появление отрицательного напряжения на выводе 1 AT, ограниченного через первый диод напряжением второго источника напряжения.
Напряжение второго источника напряжения через малое индуктивное сопротивление дросселя оказывается приложенным в обратном направлении между первым и средним выводами AT, и процесс размагничивания завершается.
Напряжения первого и второго источников должны быть больше минимально допустимой величины, равной напряжению DC, умноженному на отношение максимально возможного времени процесса намагничивания AT к периоду ШИМ (десятки раз), при которой обеспечивается гарантированное размагничивание AT во всех режимах работы.
Это определяет первое из упомянутых преимуществ предлагаемого технического решения - отсутствие зависимости процесса размагничивания автотрансформатора от скважности работы ПМ. Второе преимущество -повышение надежности - определяется низкой величиной размагничивающего напряжения по сравнению с напряжением питания DC, что на всех этапах работы устройства обеспечивает величины напряжения на элементах схемы, превосходящие напряжение DC не более чем на величину максимального из напряжений на первом и втором источниках напряжения.
Таким образом, предложенное техническое решение проявляет новые свойства, заключающиеся в расширении диапазона ШИМ и повышении надежности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ 2307441, Опубликовано: 27.09.2007, «Способ снижения динамических потерь в преобразователях электроэнергии», Шепелин Андрей Витальевич (RU), Иванов Анатолий Леонидович (RU), Шепелин Александр Витальевич (RU)
2. Wensong Yu, Sung-Yeul Park et. al. An Improved Zero-Voltage-Switching Inverter Using Two Coupled Magnetics In One Resonant Pole. // https://www.researchgate.net/publication/224577756, Article in IEEE Transactions on Power Electronics, May 2010
3. Reichl J. et. al. Design Optimization of Hybrid-Switch Soft-Switch Inverters Using Multiscale Electrotermal Simulation. // IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.32, No. 1, January 2017.