Резонансный ключ с магнитно-связанным контуром

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использована в схемах автономных инверторов и импульсных регуляторов.
Известна схема резонансного ключа с магнитно-связанным дросселем, обеспечивающая снижение энергии динамических потерь (патент РФ 84170 U1, 27.06.2009, МПК - Н02М 1/06).
Недостатком данного решения являются большие значения емкостей резонансных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам схемы.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является резонансный ключ (Воронин П.Α., Воронин И.П. Составные резонансные ключи // Электротехника. - 2014. - №2. - С. 44-49), содержащий первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, вспомогательный ключ, первый и второй резонансные конденсаторы и основную обмотку резонансного дросселя, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, катод противофазного диода подключен к первому силовому выводу, вывод основного ключа, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода, подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, первый резонансный конденсатор подключен параллельно основному ключу, а второй резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к первому резонансному конденсатору таким образом, что положительная обкладка первого резонансного конденсатора соединена с отрицательной обкладкой второго резонансного конденсатора.
В данном решении обеспечивается включение основного ключа при нулевом напряжении и его выключение при нулевом токе, что позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь.
Недостатком данного решения являются увеличенные статические потери мощности, избыточная энергия, накапливаемая во втором резонансном конденсаторе при малых токах нагрузки, и необходимость ограничения напряжения на втором резонансном конденсаторе в переходном процессе включения основного ключа.
Техническая задача полезной модели заключается в реализации оптимального обмена энергией между резонансным дросселем и каждым из конденсаторов последовательного и параллельного резонансного контура в отдельности и в определенной временной последовательности.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности работы резонансного ключа и снижении статических потерь мощности в элементах резонансной цепи.
Это достигается тем, что известный резонансный ключ с магнитно-связанным контуром, содержащий первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, вспомогательный ключ, первый и второй резонансный конденсатор и основную обмотку резонансного дросселя, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, катод противофазного диода подключен к первому силовому выводу, вывод основного ключа, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода, подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, первый резонансный конденсатор подключен параллельно основному ключу, а второй резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к первому резонансному конденсатору таким образом, что положительная обкладка первого резонансного конденсатора соединена с отрицательной обкладкой второго резонансного конденсатора, снабжен дополнительным диодом, резонансный дроссель снабжен дополнительной обмоткой, магнитно-связанной с основной обмоткой резонансного дросселя, а противофазный диод выполнен в виде последовательного соединения первого и второго составного диода, при этом конец дополнительной обмотки резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки резонансного дросселя, соединенной со вторым резонансным конденсатором, начало дополнительной обмотки резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода, анод которого подключен к точке соединения первого и второго резонансного конденсатора, а точка соединения основной и дополнительной обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого и второго составного диода.
Сущность полезной модели поясняются чертежами, где на фиг. 1 представлен резонансный ключ с магнитно-связанным контуром, на фиг. 2 показана схема повышающего регулятора постоянного напряжения на резонансном ключе с магнитно-связанным контуром с нижним уровнем подключения, на фиг. 3 представлен резонансный ключ с магнитно-связанным контуром с верхним уровнем подключения, на фиг. 4 изображена схема понижающего регулятора постоянного напряжения на резонансном ключе с магнитно-связанным контуром с верхним уровнем подключения, на фиг. 5 представлена схема автономного инвертора напряжения на резонансных ключах с магнитно-связанным контуром, на фиг. 6 представлена схема трехуровневого автономного инвертора напряжения на резонансных ключах с магнитно-связанным контуром, на фиг. 7 показана диаграмма переключения резонансного ключа с магнитно-связанным контуром при нулевом напряжении в процессе включения и при нулевом токе в процессе выключения.
Резонансный ключ с магнитно-связанным контуром содержит первый 1, второй 2 и третий 3 силовые выводы, основной ключ 4 со встречно-параллельным диодом, противофазный диод 5, вспомогательный ключ 6, первый 7 и второй 8 резонансный конденсатор и основную обмотку 9 резонансного дросселя, при этом основной ключ 4 и противофазный диод 5 соединены последовательно, катод противофазного диода 5 подключен к первому силовому выводу 1, вывод основного ключа 4, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода, подключен ко второму силовому выводу 2, а точка соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5 подключена к третьему силовому выводу 3, первый резонансный конденсатор 7 подключен параллельно основному ключу 4, а второй резонансный конденсатор 8, основная обмотка 9 резонансного дросселя и вспомогательный ключ 6 образуют ветвь последовательного соединения, которая в свою очередь параллельно подключена к первому резонансному конденсатору 7, при этом положительная обкладка первого резонансного конденсатора 7 соединена с отрицательной обкладкой второго резонансного конденсатора 8. Кроме того, он содержит дополнительный диод 10, резонансный дроссель с дополнительной обмоткой 11, магнитно-связанной с основной обмоткой 9 резонансного дросселя, а противофазный диод 5 выполнен в виде последовательного соединения первого 12 и второго 13 составного диода. Конец дополнительной обмотки 11 резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки 9 резонансного дросселя, соединенной со вторым резонансным конденсатором 8, при этом начало дополнительной обмотки 11 резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода 10, анод которого подключен к точке соединения первого 7 и второго 8 резонансных конденсаторов, при этом точка соединения основной 9 и дополнительной обмотки 11 резонансного дросселя подключена к точке соединения первого 12 и второго 13 составного диода.
Резонансный ключ с магнитно-связанным контуром работает следующим образом.
вх
вых
вых
Пусть в начальный момент времени (фиг. 2) основной ключ 4 и вспомогательный ключ 6 разомкнуты. Тогда ток дросселя входного фильтра Lф, обозначенный как ток Ι, протекает от входного источника Ε по цепи открытых составных диодов 12 и 13 противофазного диода 5 в цепь конденсатора выходного фильтра Сф, заряженного до постоянного напряжения U, и нагрузки Rн. Напряжение на резонансном конденсаторе 7, присоединенном параллельно основному ключу 5, при этом равно напряжению U. Поскольку составной диод 13 открыт, начальное напряжение на втором резонансном конденсаторе равно нулю. При разомкнутом вспомогательном ключе 6 начальное значение тока в обмотках 9 и 11 резонансного дросселя равно нулю.
В начале цикла коммутаций происходит отпирание вспомогательного ключа 6.
1. Интервал линейного нарастания тока в основной обмотке 9 резонансного дросселя.
вых
При подаче сигнала управления на вспомогательный ключ 6 через открытый составной диод 12 к основной обмотке 9 резонансного дросселя подключается напряжение U, вызывая линейное нарастание тока в нем и, соответственно, во вспомогательном ключе 6, обеспечивая тем самым мягкое отпирание вспомогательного ключа 6 при нулевом токе:
9
9
6
где L - индуктивность основной обмотки 9 резонансного дросселя; I - ток в основной обмотке 9 резонансного дросселя; I- ток вспомогательного ключа 6.
6
Плавное нарастание тока I обеспечивает включение вспомогательного ключа 6 в режиме нулевого тока.
ВХ
Через интервал времени Δt1 ток в основной обмотке 9 резонансного дросселя достигает значения тока I и составной диод 12 запирается:
2. Интервал разряда первого резонансного конденсатора 7 и включения основного ключа 4 при нулевом напряжении.
После запирания составного диода 12 в схеме начинается колебательный процесс разряда резонансного конденсатора 7 по цепи основной обмотки 9 резонансного дросселя и открытого вспомогательного ключа 6 через открытый составной диод 13. При этом в основной обмотке 9 резонансного дросселя ток будет увеличиваться, а напряжение на первом резонансном конденсаторе 7 спадать:
7
7
где  - волновое сопротивление параллельного резонансного контура, образованного резонансным конденсатором 7 и основной обмоткой 9 резонансного дросселя;  - круговая частота параллельного резонанса; U - напряжение на резонансном конденсаторе 7; С - емкость первого резонансного конденсатора 7.
Через интервал времени Δt2 напряжение на первом резонансном конденсаторе 7 и, соответственно, на основном ключе 4 спадает до нуля. При этом включается встречно-параллельный диод основного ключа 4, через который начинает замыкаться избыточный ток ΔΙ, накопленный в основной обмотке 9 резонансного дросселя при разряде первого резонансного конденсатора 7:
После разряда первого резонансного конденсатора 7 основной ключ 4 включается при нулевом напряжении.
В течение всего интервала разряда первого резонансного конденсатора 7 второй резонансный конденсатор 8 был зашунтирован открытым составным диодом 12 и напряжение на втором резонансном конденсатор 8 поддерживалось на нулевом уровне.
3. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе в переходном процессе включения основного ключа 4.
ВХ
При выключении вспомогательного ключа 6 ток I входного фильтра Lф переключается в основной ключ 5. При этом отпирается дополнительный диод 10 и за счет магнитной связи в дополнительной обмотке 11 резонансного дросселя, при условии равенства витков основной 9 и дополнительной 11 обмоток резонансного дросселя, появляется начальный ток, равный по величине току, накопленному в основной обмотке 9 резонансного дросселя:
3
Между дополнительной обмоткой 11 резонансного дросселя и вторым резонансным конденсатором 8 начинается колебательный процесс. Длительность процесса Δt определяется открытым состоянием дополнительного диода, при сохранении положительного направления тока через данный диод:
,
11
8
где L - индуктивность дополнительной обмотки 11 резонансного дросселя, равная по величине индуктивности 9 основной обмотки резонансного дросселя; C - емкость второго резонансного конденсатора 8.
3
В конце интервала Δt энергия, запасенная в резонансном дросселе, переводится во второй резонансный конденсатор 8, и после запирания дополнительного диода на данном конденсаторе устанавливается напряжение:
где  - волновое сопротивление последовательного резонансного контура, образованного резонансным конденсатором 8 и основной обмоткой 9 резонансного дросселя.
Отметим, что плавное нарастание напряжения на втором резонансном конденсаторе 8 при открытом основном ключе 4 обеспечивает выключение вспомогательного ключа 6 при нулевом напряжении.
4. Интервал проводимости основного ключа 4.
И
ВХ
При заданном режиме управления поддерживается требуемый интервал проводимости, называемый длительностью импульса Δt, при котором входной ток I протекает по цепи основного ключа 4, а во входном фильтре Lф накапливается энергия от входного источника Е.
5. Интервал выключения основного ключа 4 при нулевом токе.
И
Данный интервал начинается при включении вспомогательного ключа 6 после окончания длительности импульса Δt.
Поскольку полярность начального напряжения на втором резонансном конденсаторе 8 поддерживает составной диод 13 в закрытом состоянии, между данным конденсатором 8 и основной обмоткой 9 резонансного дросселя начинается колебательный процесс, с круговой частотой последовательного резонанса .
ВХ
При этом в основном ключе 4 появляется дополнительный ток, направленный встречно по отношению к току входного фильтра I:
Плавное изменение тока в течение колебательного процесса обеспечивает включение вспомогательного ключа 6 в режиме нулевого тока.
5
p2
4
Через интервал времени Δt, примерно равный четверти периода резонансной частоты ω, ток I снижается до нуля и основной ключ 4 выключается при нулевом токе. Напряжение на втором резонансном конденсаторе 8 снижается при этом практически до нуля.
6. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе в переходном процессе выключения основного ключа 4 и начало заряда первого резонансного конденсатора 7.
ВХ
При выключении вспомогательного ключа 6 отпирается дополнительный диод 10, и за счет магнитной связи в дополнительной обмотке 11 резонансного дросселя появляется начальный ток, фактически равный по величине току I:
Между дополнительной обмоткой 11 резонансного дросселя и вторым резонансным конденсатором 8 начинается колебательный процесс, при котором второй резонансный конденсатор 8 начинает заряжаться, а ток в дополнительной обмотке 11 резонансного дросселя начинает спадать.
ВХ
На этом же интервале ток I входного фильтра Lф начинает заряжать емкость первого резонансного конденсатора 7.
Плавное нарастание напряжений на емкости первого резонансного конденсатора 7 и емкости второго резонансного конденсатора 8 обеспечивает выключение вспомогательного ключа 6 при нулевом напряжении.
вых
Когда сумма напряжений на первом 7 и втором 8 резонансных конденсаторах становится равной выходному напряжению U, в противофазном диоде открывается составной диод 12 и рассматриваемый интервал завершается. Длительность интервала определяют по формуле:
При этом напряжение на втором резонансном конденсаторе в конце интервала определяется выражением:
вых
7. Интервал полного разряда второго резонансного конденсатора 8 и заряда первого резонансного конденсатора 7 до напряжения U выходного фильтра Сф.
ВХ
вых
ВХ
После отпирания составного диода 12 входной ток I фактически начинает протекать по параллельному соединению первого 7 и второго 8 резонансных конденсаторов. При этом первый резонансный конденсатор 7 продолжает заряжаться, а второй резонансный конденсатор 8 разряжается. После увеличения напряжения на первом резонансном конденсаторе до значения U второй резонансный конденсатор полностью разряжается. При этом отпирается составной диод 13 и ток Iполностью переключается в противофазный диод, образованный двумя составными диодами 12 и 13.
Длительность последнего интервала определяется по формуле:
По завершении указанных интервалов работы все величины токов и напряжений на резонансном ключе с магнитно-связанным контуром возвращаются к начальным значениям и ключ готов к очередному циклу коммутации.
Рассмотренная работа заявляемого устройства (Фиг. 1) относится к его применению в качестве резонансного ключа нижнего уровня подключения к цепи источника питания и нагрузки.
Для применения резонансного ключа с магнитно-связанным контуром в качестве ключевого устройства с верхним уровнем подключения изменяется схема подключения основного ключа 4 и противофазного диода 5 к силовым выводам 1, 2 и 3 устройства (Фиг. 3). Теперь к первому силовому выводу 1 подключается анод противофазного диода 5, а ко второму силовому выводу 2 подключен вывод основного ключа 4, соединенный с катодом его встречно-параллельного диода. Данная топология подключения объясняется изменением направления тока нагрузки относительно ключевых элементов верхнего уровня подключения на обратное направление, по сравнению с нижним уровнем подключения. В соответствии с правилами применения ключа верхнего уровня порядок чередования элементов в последовательной цепи, подключенной параллельно резонансному конденсатору 7, выбран таким, что отрицательная обкладка первого резонансного конденсатора 7 соединена с положительной обкладкой второго резонансного конденсатора 8. При этом начало дополнительной обмотки 11 резонансного дросселя соединено с анодом дополнительного диода 10, катод которого подключен к точке соединения первого 7 и второго 8 резонансных конденсаторов. Принцип работы заявляемого устройства как ключа с верхним уровнем не меняется по сравнению с ключом нижнего уровня подключения, и его цикл коммутации состоит из тех же семи основных интервалов работы.
Примеры конкретного применения предложенного устройства.
В качестве резонансного ключа с нижним уровнем подключения устройство (Фиг 1) может быть использовано в повышающих регуляторах постоянного напряжения (Фиг. 2).
В качестве резонансного ключа с верхним уровнем подключения устройство (Фиг 3) может быть использовано в понижающих регуляторах постоянного напряжения (Фиг. 4).
В автономных инверторах напряжения могут быть применены последовательно включенные резонансные ключи верхнего и нижнего уровня подключения (Фиг. 5). Точка соединения резонансных ключей верхнего и нижнего уровня образует фазу инвертора, к которой подключен первый узел Rн-Lн нагрузки, второй узел которой соединен с точкой нейтрали N. При этом встречно-параллельный диод основного ключа верхнего уровня 4(1) является противофазным диодом 5(2) основного ключа нижнего уровня 4(2) и, наоборот, встречно-параллельный диод основного ключа нижнего уровня 4(2) является противофазным диодом 5(1) основного ключа верхнего уровня 4(1).
В трехуровневых инверторах напряжения с двумя последовательно включенными источниками питания Е/2, точка соединения которых является общей шиной, применяются два резонансных ключа верхнего уровня подключения и два резонансных ключа нижнего уровня подключения (Фиг. 6).
Точка соединения основных ключей 4(2) и 4(3) образует фазу инвертора, к которой подключен первый узел Rн-Lн нагрузки, второй узел которой соединен с точкой нейтрали N.
Работу трехуровневого инвертора напряжения можно свести к последовательной по времени работе двух эквивалентных полумостов. В результате каждый из эквивалентных полумостов может быть составлен из двух последовательно включенных резонансных ключей верхнего и нижнего уровня (Фиг. 6), аналогично обычному двухуровневому инвертору напряжения (Фиг. 5).
Первый эквивалентный полумост состоит из основного ключа верхнего уровня 4(1) и ключа нижнего уровня, образованного последовательным соединением основного ключа 4(3) и нижнего фиксирующего диода 5(4). Противофазным диодом для ключа верхнего уровня 4(1) является верхний фиксирующий диод 5(1), который одновременно является встречно-параллельным диодом для ключа нижнего уровня, образованного последовательным соединением основного ключа 4(3) и нижнего фиксирующего диода 5(4). Противофазным диодом для ключа нижнего уровня, образованного последовательным соединением основного ключа 4(3) и нижнего фиксирующего диода 5(4), является встречно-параллельный диод основного ключа 4(1). При работе первого эквивалентного полумоста основной ключ 4(2) все время находится в замкнутом состоянии.
Второй эквивалентный полумост состоит из ключа верхнего уровня, образованного последовательным соединением верхнего фиксирующего диода 5(1) и основного ключа 4(2), и основного ключа нижнего уровня 4(4). Противофазным диодом для ключа верхнего уровня, образованного последовательным соединением верхнего фиксирующего диода 5(1) и основного ключа 4(2), является встречно-параллельный диод основного ключа 4(4). Противофазным диодом для ключа нижнего уровня 4(4) является нижний фиксирующий диод 5(4), который одновременно является встречно-параллельным диодом для ключа верхнего уровня, образованного последовательным соединением верхнего фиксирующего диода 5(1) и основного ключа 4(2). При работе второго эквивалентного полумоста основной ключ 4(3) все время находится в замкнутом состоянии.
Для демонстрации эффективности применения предложенного устройства на Фиг. 7 представлена диаграмма напряжения Us(t) (канал 1) и тока Is(t) (канал 2) основного ключа 4 в составе резонансного ключа с магнитно-связанным контуром при его работе в схеме Фиг. 2.
Как видно на диаграмме процессы коммутации в основном ключе 4 протекают при нулевом напряжении в переходном процессе включения и при нулевом токе в переходном процессе выключения, что обеспечивает практически нулевую мощность динамических потерь в ключе 4. При этом отсутствуют какие-либо всплески перенапряжений или перегрузок по току, характерные для работы ближайшего аналога.