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 переключение транзисторов при нулевом токе (см. патент США №4720667, опубл. 19.01.1988).
Недостатком данного решения является то, что интервал проводимости в схеме является фиксированным. При этом регулирование выходного напряжения и мощности в схеме можно производить только частотным методом.
Наиболее близким по технической сути является резонансный коммутатор (см. Barbi I., Bolacell J., Martins D., Libano F. «Buck Quasi-Resonant Converter Operating at Constant Frequency: Analysis, Design and Experimentation», IEEE, 1989, p.p.873-880), включающий в себя первый ключ со встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, соединенный последовательно с первым ключом, вывод анода встречно-параллельного диода образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, а вывод дросселя, соединенный с одним выводом второго ключа, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора.
В данном решении обеспечивается мягкая коммутация ключей при нулевом токе, причем запирание второго ключа позволяет регулировать интервал проводимости за счет временного прерывания резонансного процесса путем отключения конденсатора от цепи резонанса. При этом в схеме оказывается возможным широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и мощности. Однако в течение всего интервала проводимости на отключенном конденсаторе имеется накопленный заряд, который постепенно снижается за счет токов утечки. Поэтому при относительно больших интервалах проводимости возможно нарушение условий мягкой коммутации. Еще одним недостатком данной схемы является обязательное наличие встречно-параллельного диода у второго ключа, поскольку ток в последовательной цепи второго ключа и конденсатора в процессе коммутации изменяет направление. При этом из-за инерционных свойств встречно-параллельного диода запирание второго ключа происходит при условно нулевом токе, а в схеме возникают паразитные высокочастотные колебания.
Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в следующем:
1. Регулирование интервала проводимости в схеме обеспечивается при включенном состоянии второго ключа, причем заряд на конденсаторе при этом равен нулю.
2. Отсутствует необходимость наличия встречно-параллельного диода у второго ключа, а коммутация второго ключа проводится при нулевом напряжении.
Указанный технический результат достигается в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ со встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, соединенный последовательно с первым ключом, вывод анода встречно-параллельного диода образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, а вывод дросселя, соединенный с одним выводом второго ключа, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, благодаря тому, что в соответствии с первым объектом настоящего изобретения конденсатор соединен параллельно второму ключу, другой вывод которого подключен к отрицательному силовому выводу резонансного коммутатора.
При этом катод первого встречно-параллельного диода может быть соединен с дополнительным силовым выводом резонансного коммутатора.
Тот же технический результат достигается в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ со встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, соединенный последовательно с первым ключом, вывод анода встречно-параллельного диода образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, а вывод дросселя, соединенный с одним выводом второго ключа, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, благодаря тому, что в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения один вывод конденсатора соединен с положительным силовым выводом резонансного коммутатор, а другой вывод конденсатора образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.
При этом катод первого встречно-параллельного диода может быть соединен с дополнительным силовым выводом резонансного коммутатора.
Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг.1 представлен резонансный коммутатор по первому варианту осуществления.
На Фиг.2 представлен резонансный коммутатор по Фиг.1 с дополнительным силовым выводом.
На Фиг.3 представлен резонансный коммутатор по второму варианту осуществления.
На Фиг.4 представлен резонансный коммутатор по Фиг.2 с дополнительным силовым выводом.
На Фиг.5 представлена схема ближайшего аналога.
На Фиг.6 представлен резонансный коммутатор по Фиг.1, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).
На Фиг.7 представлен резонансный коммутатор по Фиг.1 с дополнительным силовым выводом, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).
На Фиг.8 представлен резонансный коммутатор по Фиг.2, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).
На Фиг.9 представлен резонансный коммутатор по Фиг.2 с дополнительным силовым выводом, 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 со встречно-параллельным диодом и второй ключ 2, элементы резонансного контура: конденсатор 3 и дроссель 4. Кроме того, на чертежах показаны положительный силовой вывод 5 и отрицательный силовой вывод 6.
Дроссель 4 и первый ключ 1 соединены последовательно. При этом вывод последовательной цепи, соединенный с анодом встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод 6. Другой вывод последовательной цепи образует положительный силовой вывод 5. Второй ключ 2 и конденсатор 3 соединены параллельно и в параллель присоединены к последовательной цепи дросселя 4 и первого ключа 1. При этом с положительным силовым выводом 5 резонансного коммутатора соединен отрицательный вывод второго ключа 2.
Как показано на Фиг.2, катод встречно-параллельного диода может быть соединен с дополнительным силовым выводом 7 резонансного коммутатора.
Как показано на Фиг.3, один вывод конденсатора 3 соединен с положительным силовым выводом 5 резонансного коммутатора, а другой вывод конденсатора 3 образует дополнительный силовой вывод 8 резонансного коммутатора.
Как показано на Фиг.4, катод встречно-параллельного диода может быть соединен с дополнительным силовым выводом 7 резонансного коммутатора, при этом один вывод конденсатора 3 соединен с положительным силовым выводом 5 резонансного коммутатора, а другой вывод конденсатора 3 образует дополнительный силовой вывод 8 резонансного коммутатора.
Рассмотрим работу резонансного коммутатора с коммутацией при нулевом токе в схеме преобразователя постоянного напряжения в соответствии с Фиг.6.
Н
ВЫХ
ВЫХ
Пусть в начальный момент времени первый ключ 1 и второй ключ 2 разомкнуты. Тогда ток дросселя Lф входного фильтра, обозначенный как ток I нагрузки, протекает по цепи открытого диода D в цепь конденсатора Cф выходного фильтра, заряженного до постоянного напряжения U, и нагрузки Н. Напряжение на конденсаторе 3, соединенном параллельно с ключом 2, при этом равно напряжению U. В начале цикла коммутаций происходит отпирание первого ключа 1.
1. Интервал линейного изменения тока дросселя 4.
ВЫХ
При подаче сигнала управления на первый ключ 1 через открытый диод D параллельно дросселю 4 подключается напряжение U, вызывая линейное нарастание тока в нем и, соответственно, в первом ключе 1, обеспечивая тем самым отпирание первого ключа 1 при нулевом токе:
<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><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
4
4
1
где L - индуктивность дросселя 4; I - ток дросселя 4; I - ток первого ключа 1.
1
Н
Через интервал времени Δt ток дросселя 4 достигает значения тока I нагрузки, и диод D запирается:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>Н</mi></msub><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1. Начальный интервал резонанса.
После запирания диода D в схеме начинается резонансный процесс. При этом в начале периода резонанса ток в дросселе 4 будет увеличиваться, а напряжение на конденсаторе 3 спадать:
<mrow><mrow><mtable columnalign="left"><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><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mi>sin</mi><msub><mi>ω</mi><mi>р</mi></msub><mi>t</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></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><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
3
3
где
- волновое сопротивление резонансного контура; ω - круговая частота резонанса; U - напряжение на конденсаторе 3; С - емкость конденсатора 3.
2
При спаде напряжения на конденсаторе 3 до нуля через интервал времени Δt включают второй ключ 2, 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><mi>k</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msqrt><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><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Следует отметить, что с положительным силовым выводом 5 резонансного коммутатора должен быть соединен отрицательный вывод второго ключа 2, поскольку именно в данном направлении ключ 2 во включенном состоянии будет способен воспринимать разность токов дросселя 4 и нагрузки при выключенном диоде D.
3. Интервал проводимости.
При включенных первом и втором ключах 1 и 2 в схеме обеспечивается требуемый интервал проводимости тока нагрузки.
4. Конечный интервал резонанса.
3
После запирания второго ключа 2 в заданный момент времени в соответствии с применяемым методом широтно-импульсного регулирования возобновляется резонансный процесс. При этом в соответствии с системой уравнений (3) ток дросселя 4 начинает спадать, а напряжение на конденсаторе 3 изменяет свою полярность. Когда резонирующий ток дросселя 4 уменьшится до нуля, колебательный процесс продолжится, поскольку в действие вступит встречно-параллельный диод первого ключа 1. Через интервал времени Δt от момента запирания второго ключа 2 ток дросселя 4 вновь становится равным нулю. При этом встречно-параллельный диод первого ключа 1 запирается, и 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>I</mi><mi>Н</mi></msub><msub><mi>ρ</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>π</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><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 напряжения на конденсаторе 3.
После запирания встречно-параллельного диода первого ключа 1 ток дросселя Lф входного фильтра начинает замыкаться через конденсатор 3, поскольку диод D все еще находится в выключенном состоянии. При этом напряжение на конденсаторе 3 начинает линейно изменяться:
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Ы</mi><mi>Х</mi></mrow></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>I</mi><mi>Н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><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 запирания первого ключа 1 при нулевом токе необходимо снять с него импульс управления прежде, чем напряжение на конденсаторе 3 вновь изменит свою полярность.
ВЫХ
После увеличения напряжения на конденсаторе 3 до значения U отпирается диод D, и полный цикл коммутаций завершается. Отметим, что в данном цикле была обеспечена мягкая коммутация первого (основного) ключа 1 при нулевом токе и мягкая коммутация второго (вспомогательного) ключа 2 при нулевом напряжении.
Принцип работы резонансного коммутатора не изменяется, если с помощью дополнительного силового вывода 7 дроссель 4 резонансного контура выводится из цепи последовательного соединения с первым ключом 1 и 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 со вторым 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 с помощью дополнительного силового вывода 7 дроссель 4 резонансного контура выводится из цепи последовательного соединения с первым ключом 1 и включается последовательно в цепь диода D, а вывод конденсатора 3 резонансного контура, ранее подключенный к отрицательному силовому выводу, образует еще один 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 другого дополнительного силового вывода 8 вывод конденсатора 3 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.
Первый и второй 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 0,8 мкГн.
Конденсатор 3 - емкость 0,2 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: напряжение на первом ключе 1; 200 B/дел.
Канал 2: ток первого ключа 1 и дросселя 4; 200 A/дел.
Канал 3: напряжение на втором ключе 2 и конденсаторе 3; 200 B/дел.
Канал 4: ток второго ключа 2; 200 A/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.
Первый (основной) ключ 1 переключается при нулевом токе, а второй (вспомогательный) ключ 2 - при нулевом напряжении.