РЕЗОНАНСНЫЙ КЛЮЧ С МАГНИТНО-СВЯЗАННЫМ ДРОССЕЛЕМ

Предложение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано в схемах автономных инверторов и импульсных регуляторов.
Известна схема резонансного ключа с магнитно-связанным дросселем, обеспечивающая снижение энергии динамических потерь (RU 84170 U1, 27.06.2009, МПК - Н02М 1/06).
Недостатком данного решения являются относительно большие значения емкостей резонансных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам схемы.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является резонансный ключ (RU 169427 U1, 16.03.2017, МПК - Н03Н 1/00), содержащий первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составных диодов, вспомогательный ключ, дополнительный диод, резонансный конденсатор, основную и дополнительную магнитно-связанные обмотки 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, резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу, при этом конец дополнительной обмотки резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором, начало дополнительной обмотки резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода, анод которого подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом, а точка соединения основной и дополнительной обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого и второго составных диодов.
В данном решении обеспечивается включение основного ключа при нулевом напряжении и его выключение при нулевом токе, что позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь. Однако данное устройство обладает следующими недостатками. С целью минимизации потерь энергии в резонансной цепи необходимо, чтобы в каждом цикле коммутации амплитуда тока, формируемая в дополнительной обмотке резонансного дросселя, равнялась удвоенному значению тока нагрузки. В схеме прототипа количество витков основной обмотки резонансного дросселя равно количеству витков его дополнительной обмотки, и для формирования требуемой амплитуды тока в резонансном дросселе применяется дополнительный резонансный конденсатор относительно большой емкости, подключенный параллельно к основному ключу, что увеличивает количество внешних элементов устройства. Емкость дополнительного конденсатора выбирается с учетом максимально возможного значения тока нагрузки, что приводит к избыточной энергии, циркулирующей в резонансной цепи при переменном токе нагрузки. Это сопровождается дополнительными статическими потерями мощности, как в самой резонансной цепи, так и во встречно параллельном диоде основного ключа.
Технической задачей предлагаемого решения является снижение количества применяемых внешних элементов и статических потерь мощности в резонансном ключе.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в реализации необходимой амплитуды тока в магнитно-связанных обмотках резонансного дросселя за счет выбора соответствующего соотношения между их витками.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что резонансный ключ содержит первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составных диодов, вспомогательный ключ, дополнительный диод, резонансный конденсатор, основную и дополнительную магнитно-связанные обмотки 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, резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу, при этом конец дополнительной обмотки резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором, начало дополнительной обмотки резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода, анод которого подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом, а точка соединения основной и дополнительной обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого и второго составных диодов, причем количество витков основной обмотки резонансного дросселя не менее чем в два раза больше количества витков его дополнительной обмотки.
Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.
На фиг. 1 представлен резонансный ключ с магнитно-связанным дросселем.
На фиг. 2 представлена схема повышающего регулятора постоянного напряжения на резонансном ключе с магнитно-связанным дросселем.
Резонансный ключ с магнитно-связанным дросселем (фиг. 1) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 силовые выводы, основной ключ 4 со встречно-параллельным диодом, противофазный диод 5, выполненный в виде последовательного соединения первого 6 и второго 7 составных диодов, вспомогательный ключ 8, дополнительный диод 9, резонансный конденсатор 10, основную 11 и дополнительную 12 магнитно-связанные обмотки резонансного дросселя. Основной ключ 4 и противофазный диод 5 соединены последовательно, катод противофазного диода 4 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. Резонансный конденсатор 10, основная обмотка 11 резонансного дросселя и вспомогательный ключ 8 образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу 4, при этом конец дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки 11 резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором 10, начало дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода 9, анод которого подключен к точке соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5. Точка соединения основной 11 и дополнительной 12 обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого 6 и второго 7 составных диодов. Количество витков основной обмотки 11 резонансного дросселя в два раза больше количества витков 12 его дополнительной обмотки.
Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере схемы повышающего регулятора постоянного напряжения фиг. 2, в котором применяется резонансный ключ с магнитно-связанным дросселем в соответствии с фиг. 1.
ВХ
ВЫХ
Пусть в начальный момент времени основной ключ 4 и вспомогательный ключ 8 разомкнуты. Тогда ток дросселя входного фильтра Lф, обозначенный как ток I, протекает от входного источника Е по цепи открытых составных диодов 6 и 7 противофазного диода 5 в цепь конденсатора выходного фильтра Сф, заряженного до постоянного напряжения U, и нагрузки Rн. Поскольку составной диод 7 открыт, начальное напряжение на резонансном конденсаторе 10 равно нулю. При разомкнутом вспомогательном ключе 8 начальное значение тока в обмотках 11 и 12 резонансного дросселя равно нулю.
В начале цикла коммутаций происходит отпирание вспомогательного ключа 8.
1. Интервал линейного нарастания тока в основной обмотке 11 резонансного дросселя.
ВЫХ
При подаче сигнала управления на вспомогательный ключ 8 через открытый составной диод 6 к основной обмотке 11 резонансного дросселя подключается напряжение U, вызывая линейное нарастание тока в нем и, соответственно, во вспомогательном ключе 8, обеспечивая тем самым мягкое отпирание вспомогательного ключа 8 при нулевом токе:
11
11
8
где L - индуктивность основной обмотки 11 резонансного дросселя; I - ток в основной обмотке 11 резонансного дросселя; I - ток вспомогательного ключа 8.
ВХ
Через интервал времени Δt1 ток в основной обмотке 11 резонансного дросселя достигает значения тока I, и составной диод 6 запирается:
2. Интервал включения основного ключа 4 при нулевом напряжении.
После запирания составного диода 6 в схеме начинается колебательный процесс разряда выходной емкости основного ключа 4 по цепи основной обмотки 11 резонансного дросселя и открытого вспомогательного ключа 8 через открытый составной диод 7. При этом ток в основной обмотке 11 резонансного дросселе будет увеличиваться, а напряжение в выходной цепи основного ключа 4 спадать:
0
4
0
где  - волновое сопротивление параллельного резонансного контура, образованного выходной емкостью С основного ключа 4 и основной обмоткой 11 резонансного дросселя;  - круговая частота параллельного резонанса; U- напряжение в выходной цепи основного ключа 4; С - выходная емкость основного ключа 4.
0
Через интервал времени Δt2 напряжения на основном ключе 4, спадает до нуля. При этом включается встречно-параллельный диод основного ключа 4, через который начинает замыкаться избыточный ток ΔI, накопленный в основной обмотке 11 резонансного дросселя при разряде собственной выходной емкости С основного ключа 4:
0
После разряда собственной выходной емкости С, основной ключ 4 включается при нулевом напряжении.
0
Отметим, что в течение всего интервала разряда выходной емкости С основного ключа 4, резонансный конденсатор 10 был зашунтирован открытым составным диодом 7, и напряжение на резонансном конденсаторе 10 поддерживалось на нулевом уровне.
3. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе в переходном процессе включения основного ключа 4.
ВХ
При выключении вспомогательного ключа 8, ток I входного фильтра Lф переключается в основной ключ 4. При этом отпирается дополнительный диод 9, и за счет магнитной связи в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя, появляется начальный ток:
ТР
12
11
11
12
где к=w/w - коэффициент трансформации между магнитно-связанными обмотками 11 и 12 резонансного дросселя; w - количество витков основной обмотки 11 резонансного дросселя; w - количество витков дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя.
3
Между индуктивностью дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя и резонансным конденсатором 10 начинается колебательный процесс. Длительность процесса Δt определяется открытым состоянием дополнительного диода 9, при сохранении положительного направления тока через данный диод:
12
10
где L - индуктивность дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя; С - емкость резонансного конденсатора 10.
3
В конце интервала Δt энергия, запасенная в резонансном дросселе, переводится в резонансный конденсатор 10, и после запирания дополнительного диода 9 на данном конденсаторе устанавливается напряжение:
где  - волновое сопротивление последовательного резонансного контура, образованного резонансным конденсатором 10 и основной обмоткой 11 резонансного дросселя.
Отметим, что плавное нарастание напряжения на резонансном конденсаторе 10 при открытом основном ключе 4 обеспечивает выключение вспомогательного ключа 8 при нулевом напряжении.
4. Интервал проводимости основного ключа 4.
И
ВХ
В соответствии с заданным алгоритмом управления на основном ключе 4 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 8 непосредственно перед окончанием длительности импульса Δt.
Поскольку полярность начального напряжения на резонансном конденсаторе 10 поддерживает составной диод 7 в закрытом состоянии, между данным конденсатором 10 и основной обмоткой 11 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 8 в режиме нулевого тока.
5
р2
4
Через интервал времени Δt примерно равный четверти периода резонансной частоты ω ток I снижается практически до нуля и основной ключ 4 выключается при нулевом токе. Напряжение на резонансном конденсаторе 10 снижается при этом до нуля.
6. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе в переходном процессе выключения основного ключа 4.
При выключении вспомогательного ключа 8 отпирается дополнительный диод 9, и за счет магнитной связи в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя вновь появляется начальный ток:
Между дополнительной обмоткой 12 резонансного дросселя и резонансным конденсатором 10 начинается колебательный процесс, при котором резонансный конденсатор 10 начинает заряжаться, а ток в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя начинает спадать.
ВХ
На этом же интервале ток I входного фильтра Lф начинает заряжать собственную выходную емкость основного ключа 4.
Плавное нарастание напряжения на емкости резонансного конденсатора 8 обеспечивают выключение вспомогательного ключа 8 при нулевом напряжении.
ВЫХ
Когда сумма напряжений в выходной цепи основного ключа 4 и резонансном конденсаторе 10 становится равной выходному напряжению U, в противофазном диоде 5 открывается составной диод 6, и рассматриваемый интервал завершается. Длительность интервала определяют по формуле:
ВЫХ
7. Интервал полного разряда резонансного конденсатора 10 и заряда выходной емкости основного ключа 4 до напряжения U выходного фильтра Сф.
ВХ
ВЫХ
ВХ
После отпирания составного диода 6 входной ток I фактически начинает протекать по параллельному соединению выходной емкости основного ключа 4 и емкости резонансного конденсатора 10. При этом выходная емкость основного ключа 4 продолжает заряжаться, а резонансный конденсатор 10 разряжается. После увеличения напряжения в выходной цепи основного ключа 4 до значения U, резонансный конденсатор 10 полностью разряжается. При этом отпирается составной диод 7 и ток Iполностью переключается в противофазный диод 5, образованный двумя составными диодами 6 и 7.
Длительность последнего интервала определяется по формуле:
Полный вывод энергии резонансной цепи в нагрузку происходит в том случае, если ток в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя на заключительном интервале коммутаций снижается до нуля. Значение тока в дополнительной обмотке 12 на данном интервале определяется соотношением:
где  - круговая частота резонансного процесса между индуктивностью дополнительной обмотки 12 и емкостью конденсатора 10.
ВХ
Тогда, согласно формуле (12), критерием снижения тока в дополнительной обмотке 12 до нуля является условие, при котором его начальная амплитуда равна как минимум удвоенному значению тока нагрузки, в качестве которого выступает ток входного фильтра I. Начальная амплитуда тока в дополнительной обмотке 12 определяется по формуле (9). Если считать, что избыточный ток ΔI, накопленный в основной обмотке 12 резонансного дросселя очень мал, что справедливо при относительно малой величине собственной выходной емкости основного ключа 4, то выполнение указанного критерия возможно только при условии, что количество витков основной обмотки резонансного дросселя в два раза больше количества витков его дополнительной обмотки:
По завершении указанных интервалов работы все величины токов и напряжений на резонансном ключе с магнитно-связанным дросселем возвращаются к начальным значениям, и ключ готов к очередному циклу коммутаций.
Примеры конкретного применения предложенного устройства.
В качестве нижнего резонансного ключа устройство фиг 1. может быть использовано в повышающих регуляторах постоянного напряжения (фиг. 2).
В качестве верхнего резонансного ключа представленное устройство может быть использовано в понижающих регуляторах постоянного напряжения.
В автономных инверторах напряжения при переменном синусоидальном токе нагрузки в каждой из фаз могут быть применены последовательно включенные верхний и нижний резонансный ключ в соответствие с предложенным решением.