RU2711312C1 - Resonance key control method - Google Patents

Resonance key control method Download PDF

Info

Publication number
RU2711312C1
RU2711312C1 RU2019115871A RU2019115871A RU2711312C1 RU 2711312 C1 RU2711312 C1 RU 2711312C1 RU 2019115871 A RU2019115871 A RU 2019115871A RU 2019115871 A RU2019115871 A RU 2019115871A RU 2711312 C1 RU2711312 C1 RU 2711312C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
key
resonant
control
circuit
pulse
Prior art date
Application number
RU2019115871A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Павлович Воронин
Original Assignee
Игорь Павлович Воронин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Игорь Павлович Воронин filed Critical Игорь Павлович Воронин
Priority to RU2019115871A priority Critical patent/RU2711312C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2711312C1 publication Critical patent/RU2711312C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/06Circuits specially adapted for rendering non-conductive gas discharge tubes or equivalent semiconductor devices, e.g. thyratrons, thyristors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: electronic equipment.SUBSTANCE: invention relates to power electronics, particularly to control of hybrid power modules, and can be used in development of converters with energy-efficient resonant switching methods. Technical result is achieved by the fact that in the resonance key control method two additional intervals of free circulation of the resonant throttle current part in the circuit of the short-circuited loop are introduced.EFFECT: technical result is provision of identical durations of control pulses of auxiliary switch and their independence from electric operating mode of circuit and parameters of spread of nominal values of elements of resonance circuit; thus providing synchronization of control pulses of all key elements in the resonant key with pulse width modulated pulse width of signals of converter control logic circuit.1 cl, 5 dwg

Description

Предложение относится к силовой электронике, в частности к управлению гибридными силовыми модулями и может быть использовано при разработке преобразователей с энергетически эффективными методами резонансной коммутации.The proposal relates to power electronics, in particular to the management of hybrid power modules and can be used in the development of converters with energy-efficient resonant switching methods.

Наиболее эффективным способом снижения мощности динамических потерь в полупроводниковых ключах является активное разделение фронтов его тока и напряжения, который на практике реализуется с помощью различных методов резонансной коммутации.The most effective way to reduce the power of dynamic losses in semiconductor switches is to actively separate the edges of its current and voltage, which in practice is realized using various methods of resonant switching.

Резонансный ключ (РК) состоит из соединения полупроводникового элемента с колебательным контуром LC - контуром. Резонансная LC - цепь формирует «плавную» траекторию изменения напряжения и тока полупроводникового ключа и обеспечивает его коммутацию в режимах нулевого напряжения и тока. Наиболее эффективным решением является применение РК с составным последовательно - параллельным LCC контуром. При отпирании полупроводникового ключа составная схема работает как параллельный LC - контур, обеспечивающий принудительный сброс напряжения до нулевого уровня в его выходной цепи. При запирании полупроводникового ключа составная схема работает как последовательный LC - контур, формирующий ток, направленный встречно по отношению к току нагрузки, обеспечивая выключение полупроводникового ключа при нулевом токе. Неотъемлемым элементом схемы РК, используемой в преобразователях с широтно-импульсным методом регулирования (ШИМ), является вспомогательный полупроводниковый ключ. Назначение данного ключа - в активации резонансного процесса в необходимый момент времени. Как правило, активацию резонансного процесса необходимо осуществлять непосредственно перед включением и непосредственно перед выключением основного полупроводникового ключа в составе РК. При этом вспомогательный ключ должен отпираться на относительно короткий интервал времени, однако достаточный для того, чтобы резонансный процесс в выходной цепи основного ключа обеспечил нулевой уровень напряжения при включении и нулевой уровень тока при выключении.The resonant switch (RC) consists of connecting a semiconductor element with an LC oscillatory circuit - a circuit. The resonant LC circuit forms a “smooth” trajectory of the voltage and current changes of the semiconductor switch and ensures its switching in zero voltage and current modes. The most effective solution is to use a RC with a composite series - parallel LCC circuit. When unlocking the semiconductor key, the composite circuit operates as a parallel LC circuit, which provides a forced voltage drop to zero in its output circuit. When locking a semiconductor key, the composite circuit operates as a sequential LC circuit, forming a current directed counter-to the load current, ensuring that the semiconductor switch is turned off at zero current. An integral element of the RK circuit used in converters with a pulse-width regulation method (PWM) is an auxiliary semiconductor switch. The purpose of this key is to activate the resonant process at the right time. As a rule, the activation of the resonance process must be carried out immediately before turning on and immediately before turning off the main semiconductor switch as part of the RC. In this case, the auxiliary key must be unlocked for a relatively short time interval, however, sufficient for the resonant process in the output circuit of the main key to provide a zero voltage level when turned on and a zero current level when turned off.

Известен способ управления резонансным ключом (RU 2457600 G1, 27.07.2012), при котором вспомогательный ключ отпирается дважды на относительно короткое время в каждом из циклов коммутаций. Первый раз он отпирается непосредственно перед включением основного ключа, что обеспечивает резонансный разряд выходной емкости основного ключа, и создает условие его последующего отпирания при нулевом напряжении. Второй раз вспомогательный ключ отпирается непосредственно перед выключением основного ключа, что обеспечивает резонансный сброс тока в выходной цепи основного ключа, и создает условие его последующего запирания при нулевом токе. Недостатком данного способа управления является то, что длительности импульсов управления вспомогательным ключом помимо основных интервалов, необходимых для проведения главных резонансных процессов, обеспечивающих нулевые уровни напряжения и тока основного ключа, содержат внутри себя дополнительные интервалы. В первом импульсе управления это половина периода резонансной частоты последовательного LC - контура, необходимая для дополнительного перезаряда резонансного конденсатора данного контура. Во втором импульсе управления это интервал времени необходимый для линейного заряда резонансного конденсатора до напряжения источника питания током нагрузки, и еще один интервал времени, равный три четверти периода резонансной частоты последовательного LC - контура, возникающий автоматически и обеспечивающий начальное напряжение на резонансном конденсаторе контура для следующего цикла коммутаций.A known method of controlling a resonant key (RU 2457600 G1, 07.27.07.2012), in which the auxiliary key is unlocked twice for a relatively short time in each of the switching cycles. The first time it is unlocked immediately before turning on the main key, which provides a resonant discharge of the output capacitance of the main key, and creates the condition for its subsequent unlocking at zero voltage. The second time, the auxiliary key is unlocked immediately before the main key is turned off, which provides a resonant current discharge in the output circuit of the main key, and creates a condition for its subsequent locking at zero current. The disadvantage of this control method is that the pulse widths of the auxiliary key control, in addition to the main intervals necessary for conducting the main resonant processes, ensuring zero voltage and current levels of the main key, contain additional intervals within themselves. In the first control pulse, this is half the period of the resonant frequency of the serial LC circuit, necessary for additional recharging of the resonant capacitor of this circuit. In the second control pulse, this is the time interval necessary for the linear charge of the resonant capacitor to the voltage of the power source by the load current, and another time interval equal to three quarters of the resonant frequency period of the serial LC circuit, which occurs automatically and provides the initial voltage on the resonant capacitor of the circuit for the next cycle commutation.

Начальные моменты времени импульсов управления вспомогательным ключом синхронизированы с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем. Однако их конечные длительности из-за наличия указанных дополнительных интервалов, являются параметрами, зависящими от тока нагрузки, напряжения источника питания и допусков разброса номинальных значений конденсаторов и индуктивностей резонансных контуров. Все это приводит к необходимости составления отдельных алгоритмов управления как вспомогательным, так и основным ключом в составе РК. При этом длительности импульсов управления основным ключом не синхронизированы с длительностью логических импульсов ШИМ управления, которые исходно задаются системой управления для формирования требуемого качества выходного сигнала преобразователя. Кроме того, зависимость моментов времени, при которых в основном ключе реализуются нулевые напряжения и токи, от параметров электрического режима схемы и параметров резонансной цепи требует установки дополнительных датчиков контроля, усложняющих конструкцию схемы.The initial time instants of the auxiliary key control pulses are synchronized with the PWM pulses of the converter control logic. However, their finite durations, due to the presence of the indicated additional intervals, are parameters that depend on the load current, voltage of the power supply and tolerances of the spread of the nominal values of the capacitors and inductances of the resonant circuits. All this leads to the necessity of compiling separate control algorithms for both the auxiliary and the main key in the composition of the Republic of Kazakhstan. In this case, the durations of the control pulses of the main key are not synchronized with the duration of the logical pulses of the PWM control, which are initially set by the control system to generate the required quality of the converter output signal. In addition, the dependence of the times at which zero voltages and currents are mainly realized on the parameters of the electric mode of the circuit and the parameters of the resonant circuit requires the installation of additional monitoring sensors that complicate the design of the circuit.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является способ управления резонансным ключом (RU 169427 U1, 16.03.2017), при котором вспомогательный ключ отпирается дважды на относительно короткое время в каждом из циклов коммутаций. Первый раз он отпирается непосредственно перед включением основного ключа, что обеспечивает резонансный разряд выходной емкости основного ключа, и создает условие его последующего отпирания при нулевом напряжении. Второй раз вспомогательный ключ отпирается непосредственно перед выключением основного ключа, что обеспечивает резонансный сброс тока в выходной цепи основного ключа, и создает условие его последующего запирания при нулевом токе. При этом начальные моменты времени импульсов управления вспомогательным ключом синхронизированы с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем. В отличие от предыдущего аналога длительности сигналов управления вспомогательным ключом прототипа зависят практически только от длительности резонансных процессов, формирующих нулевое напряжение и нулевой ток в выходной цепи основного ключа в составе РК. При этом минимальная длительность первого сигнала управления (непосредственно перед отпиранием основного ключа) выбирается как четверть периода резонансной частоты параллельного LC - контура, а минимальная длительность второго сигнала управления (непосредственно перед запиранием основного ключа) выбирается как четверть периода резонансной частоты последовательного LC - контура. Недостатком данного способа управления является то, что длительность импульса управления основным ключом по-прежнему не синхронизирована с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем. Данное обстоятельство определяется тем, что, как правило, значения емкостей составного LCC - контура являются разными. Вследствие этого минимально необходимая длительность первого импульса управления вспомогательным ключом не равняется длительности второго импульса управления. Другим недостатком прототипа является зависимость минимальных длительностей импульсов управления вспомогательным ключом от допусков номинальных параметров резонансных LC - контура, относительное влияние которых усиливается при увеличении частоты коммутаций.The closest in technical essence to the claimed solution is a method for controlling a resonant key (RU 169427 U1, 03.16.2017), in which the auxiliary key is unlocked twice for a relatively short time in each of the switching cycles. The first time it is unlocked immediately before turning on the main key, which provides a resonant discharge of the output capacitance of the main key, and creates the condition for its subsequent unlocking at zero voltage. The second time, the auxiliary key is unlocked immediately before the main key is turned off, which provides a resonant current discharge in the output circuit of the main key, and creates a condition for its subsequent locking at zero current. In this case, the initial time instants of the auxiliary key control pulses are synchronized with the PWM pulses of the converter control logic signals. In contrast to the previous analogue, the durations of the control signals of the auxiliary key of the prototype depend almost exclusively on the duration of the resonant processes that form the zero voltage and zero current in the output circuit of the main key as part of the RC. In this case, the minimum duration of the first control signal (immediately before unlocking the main key) is selected as a quarter of the resonant frequency of the parallel LC circuit, and the minimum duration of the second control signal (immediately before locking of the main key) is selected as a quarter of the resonant frequency of the serial LC circuit. The disadvantage of this control method is that the duration of the control pulse of the main key is still not synchronized with the pulses of the PWM signals of the converter control logic. This circumstance is determined by the fact that, as a rule, the capacitance values of a composite LCC circuit are different. As a result of this, the minimum required duration of the first control pulse of the auxiliary key does not equal the duration of the second control pulse. Another disadvantage of the prototype is the dependence of the minimum pulse widths of the auxiliary key control on the tolerances of the nominal parameters of the resonant LC - circuit, the relative influence of which increases with increasing switching frequency.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечения одинаковых длительностей импульсов управления вспомогательным ключом и их независимость от электрического режима работы схемы и параметров разброса номинальных значений элементов резонансной цепи. Тем самым обеспечивается синхронизация импульсов управления всеми ключевыми элементами в составе РК с импульсами ШИМ сигналов логической схемы управления преобразователем, что позволяет сохранять требуемое качество выходного сигнала преобразователя при переходе от классических методов жесткой коммутации к энергетически более эффективным резонансным методам.The technical result, to which the proposed technical solution is directed, is to ensure the same pulse widths for controlling the auxiliary key and their independence from the electric mode of operation of the circuit and the parameters of the scatter of the nominal values of the elements of the resonant circuit. This ensures synchronization of the control pulses of all key elements in the RC with the PWM pulses of the converter control logic, which allows you to maintain the required quality of the converter output signal when switching from classical methods of hard switching to more energy-efficient resonant methods.

Технический результат достигается тем, что способ управления резонансным ключом, при котором вспомогательный ключ в составе резонансного ключа отпирается дважды в каждом из циклов коммутаций, при этом начало первого импульса управления вспомогательным ключом синхронизируют с передним фронтом ШИМ сигнала в логической последовательности сигналов системы управления преобразователем, начало второго импульса управления вспомогательным ключом синхронизируют с задним фронтом ШИМ сигнала, начало длительности импульса управления основным ключом в составе резонансного ключа синхронизируют с задним фронтом первого импульса управления вспомогательным ключом, а окончание длительности импульса управления основным ключом синхронизируют с задним фронтом второго импульса управления вспомогательным ключом, отличающийся тем, что в каждый из циклов коммутаций резонансного ключа вводят два дополнительных интервала свободной циркуляции части тока резонансного дросселя в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом, последовательно соединенным с ним резонансным дросселем, а также встречно-параллельным диодом основного ключа и его противофазным диодом, при этом длительность первого импульса управления вспомогательным ключом устанавливают равной длительности второго импульса управления вспомогательным ключом, а импульс управления основным ключом становится равным по длительности импульсу ШИМ сигнала и сдвинутым относительно его переднего фронта на фиксированную по времени величину.The technical result is achieved by the fact that the control method of the resonant key, in which the auxiliary key as part of the resonant key is unlocked twice in each of the switching cycles, the beginning of the first pulse of the auxiliary key control is synchronized with the leading edge of the PWM signal in the logical sequence of the signals of the converter control system, the beginning the second pulse control auxiliary key synchronize with the trailing edge of the PWM signal, the beginning of the duration of the control pulse the key as part of the resonance key is synchronized with the trailing edge of the first auxiliary key control pulse, and the end of the duration of the main key control pulse is synchronized with the trailing edge of the second auxiliary key control pulse, characterized in that two additional free circulation intervals are introduced into each of the switching cycles of the resonant key parts of the resonant inductor current in the squirrel-cage circuit formed by the auxiliary key connected in series with it a resonant inductor, as well as an anti-parallel diode of the main key and its antiphase diode, while the duration of the first control pulse of the auxiliary key is set equal to the duration of the second control pulse of the auxiliary key, and the control pulse of the main key becomes equal to the pulse width of the PWM signal and shifted relative to its front front by a fixed time value.

Сущность предложенного изобретения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.The essence of the proposed invention and its technical result is illustrated by the relevant drawings.

Фиг. 1 Диаграммы логических импульсов в соответствии с представленным способом управления.FIG. 1 Logic pulse diagrams in accordance with the presented control method.

Фиг. 2 Схема коммутации тока нагрузки резонансным ключом.FIG. 2 Scheme of switching the load current with a resonant switch.

Фиг. 3 Диаграммы логических импульсов, напряжение и ток основного ключа в процессе коммутации при номинальных значениях параметров схемы и электрического режима ее работы.FIG. 3 Diagrams of logical impulses, voltage and current of the main switch during the switching process at nominal values of the circuit parameters and its electrical operation mode.

Фиг. 4 Диаграммы логических импульсов, напряжение и ток основного ключа в процессе коммутации при отклонении параметров от номинальных значений.FIG. 4 Diagrams of logical impulses, voltage and current of the main switch during switching when the parameters deviate from the nominal values.

Фиг. 5 Экспериментальные диаграммы логических импульсов управления, напряжения и тока основного ключа в процессе коммутации.FIG. 5 Experimental diagrams of logical control pulses, voltage and current of the main switch during the switching process.

Фиг. 1 содержит три диаграммы логических импульсов управления в соответствии с предложенным способом управления. На первой диаграмме представлен ШИМ сигнал 1 в последовательности логических сигналов системы управления преобразователем 1.FIG. 1 contains three diagrams of logical control pulses in accordance with the proposed control method. The first diagram shows the PWM signal 1 in the sequence of logical signals of the control system of the Converter 1.

На второй диаграмме представлены - первый импульс управления 2 вспомогательным ключом и равный ему по длительности второй импульс управления 3 вспомогательным ключом в составе РК. При этом начало первого импульса управления 2 вспомогательным ключом синхронизировано с передним фронтом ШИМ сигнала 1, а начало второго импульса управления 3 вспомогательным ключом синхронизировано с задним фронтом ШИМ сигнала 1.The second diagram shows the first pulse of control 2 of the auxiliary key and the second pulse of control 3 of the auxiliary key equal to it in duration as part of the PK. In this case, the beginning of the first pulse of control 2 by the auxiliary key is synchronized with the leading edge of the PWM signal 1, and the beginning of the second pulse of control 3 by the auxiliary key is synchronized with the falling edge of the PWM signal 1.

На третьей диаграмме представлен импульс управления 4 основным ключом в составе РК. Начало импульса управления 4 синхронизировано с задним фронтом первого импульса управления 2 вспомогательным ключом. При этом конец импульса управления 4 синхронизирован с задним фронтом второго импульса управления 3 вспомогательным ключом. При равной длительности импульсов управления 2 и 3 вспомогательным ключом импульс управления 4 основным ключом сдвинут относительно ШИМ сигнала 1 на величину фиксированной задержки и равен по длительности ШИМ сигналу 1.The third diagram shows the control impulse 4 of the main key in the composition of the Republic of Kazakhstan. The beginning of the control pulse 4 is synchronized with the trailing edge of the first control pulse 2 auxiliary key. The end of the control pulse 4 is synchronized with the trailing edge of the second control pulse 3 auxiliary key. With equal duration of control pulses 2 and 3 with the auxiliary key, the control pulse 4 of the main key is shifted relative to the PWM signal 1 by the amount of the fixed delay and is equal in duration to the PWM signal 1.

Осуществление заявляемого способа управления резонансным ключом рассмотрим на примере схемы коммутации непрерывного тока нагрузки Фиг. 2.The implementation of the inventive method for controlling a resonant switch is illustrated by the example of a switching circuit of a continuous load current. FIG. 2.

Фиг. 2 представляет базовую схему коммутации тока нагрузки Iн с источником напряжения питания схемы Е и резонансным ключом в качестве коммутирующего элемента схемы. В состав РК входят: основной ключ со встречно параллельным диодом 7; последовательно соединенная с основным ключом составная диодная схема 8, содержащая противофазный основному ключу 7 диод 9 и последовательно присоединенный к нему дополнительный противофазный диод 10; вспомогательный ключ 11; резонансная цепь 12, в состав которой входят два резонансных LC - контура с магнитно-связанными резонансными дросселями L1 и L2 одинаковой индуктивности L и индуктивностью магнитной связи M=L и конденсаторами С1 и С2; дополнительный диод 13.FIG. 2 represents a basic circuit for switching a load current In with a power supply voltage of circuit E and a resonant switch as a switching element of the circuit. The composition of the RK includes: the main key with an anti-parallel diode 7; a composite diode circuit 8 connected in series with the main key, comprising an antiphase main diode 7 diode 9 and an additional antiphase diode 10 sequentially connected to it; auxiliary key 11; resonant circuit 12, which includes two resonant LC circuits with magnetically coupled resonant inductors L1 and L2 of the same inductance L and magnetic coupling inductance M = L and capacitors C1 and C2; additional diode 13.

Основные диаграммы, иллюстрирующие процессы коммутации в схеме Фиг. 2, представлены на Фиг. 3 при номинальных значениях параметров схемы и электрического режима ее работы.Basic diagrams illustrating switching processes in the circuit of FIG. 2 are shown in FIG. 3 at nominal values of the circuit parameters and the electric mode of its operation.

Фиг. 3 содержит диаграммы логических импульсов управления резонансным ключом в соответствии с предложенным способом управления и синхронизированные с ними по времени диаграммы напряжения 5 и тока 6 основного ключа в составе РК. Здесь же указаны основные интервалы отдельного цикла коммутаций, запускаемого заданным ШИМ сигналом 1.FIG. 3 contains diagrams of logical impulses for controlling a resonance key in accordance with the proposed control method and voltage diagrams 5 and current 6 of the main switch synchronized with them in time as part of the PK. It also shows the main intervals of a separate switching cycle, which is triggered by a given PWM signal 1.

Пусть в начальный момент времени основной ключ 7 и вспомогательный ключ 11 находятся в разомкнутом состоянии. Тогда ток нагрузки Iн протекает по цепи открытых диодов 9 и 10 в составной диодной схеме 8. Начальное напряжение на выходной емкости С1 основного ключа 4, равно при этом значению Е. Поскольку противофазный диод 9 открыт, начальное напряжение на емкости С2 равно нулю. При разомкнутом вспомогательном ключе 11 начальные значения токов в индуктивностях L1 равны нулю.Let the initial key 7 and the auxiliary key 11 be in the open state at the initial time. Then, the load current In flows through the circuit of open diodes 9 and 10 in the composite diode circuit 8. The initial voltage at the output capacitance C1 of the main switch 4 is equal to the value E. Since the antiphase diode 9 is open, the initial voltage at the capacitance C2 is zero. With the auxiliary key 11 open, the initial values of the currents in the inductors L1 are equal to zero.

Цикл коммутаций начинается в момент времени t0 с приходом ШИМ сигнала 1, передний фронт которого запускает импульс управления вспомогательным ключом 8.The switching cycle begins at time t0 with the arrival of the PWM signal 1, the leading edge of which triggers the pulse control auxiliary key 8.

Интервал (t1 - t0).Interval (t1 - t0).

Данный интервал включает в себя линейное нарастание тока в индуктивности L, последовательно соединенной со вспомогательным ключом 8, и резонансный процесс разряда конденсатора С1 после того, как ток в индуктивности L1 достигает величины тока нагрузки Iн. Длительность линейного нарастания тока в индуктивности L1 зависит от параметров электрического режима схемы Е и Iн, а длительность разряда конденсатора С1 равна четверти периода резонансной частоты процесса, протекающего в параллельном резонансном контуре, образованном индуктивностью L1 и емкостью конденсатора С1:This interval includes a linear increase in the current in the inductance L connected in series with the auxiliary key 8, and the resonant discharge process of the capacitor C1 after the current in the inductance L1 reaches the load current In. The duration of the linear increase in current in the inductance L1 depends on the parameters of the electric mode of the circuit E and In, and the discharge duration of the capacitor C1 is equal to a quarter of the period of the resonant frequency of the process occurring in the parallel resonant circuit formed by the inductance L1 and the capacitance of the capacitor C1:

Figure 00000001
Figure 00000001

В устройстве прототипа сразу после разряда конденсатора С1 вспомогательный ключ 11 запирался, а на основной ключ 7 подавался сигнал управления, что обеспечивало отпирание основного ключа 7 при нулевом напряжении.In the prototype device, immediately after the discharge of capacitor C1, the auxiliary key 11 was locked, and a control signal was supplied to the main key 7, which ensured the unlocking of the main key 7 at zero voltage.

Интервал (t2 - t1).Interval (t2 - t1).

В представленном способе управления после разряда конденсатора С1 вспомогательный ключ 11 остается в замкнутом состоянии. При этом в цикл коммутаций вводится первый дополнительный интервал, основанный на свободной циркуляции части тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом 11, резонансным дросселем L1, а также встречно-параллельным диодом основного ключа 7 и его противофазным диодом 9. Током циркуляции ΔI является часть тока резонансного дросселя L1, превышающая величину тока нагрузки Iн, которая образовалась в результате поглощения дросселем L1 дополнительной энергии при разряде емкости конденсатора С1. Величина начального тока циркуляции определяется формулой:In the presented control method, after the discharge of the capacitor C1, the auxiliary key 11 remains in the closed state. In this case, the first additional interval is introduced into the switching cycle, based on the free circulation of a part of the current ΔI of the resonant inductor L1 in the short-circuit circuit formed by the auxiliary key 11, the resonant inductor L1, as well as the anti-parallel diode of the main switch 7 and its antiphase diode 9. Current ΔI is the part of the current of the resonant inductor L1 that exceeds the load current In, which was formed as a result of the absorption of additional energy by the inductor L1 during the discharge of the capacitor C1. The magnitude of the initial circulation current is determined by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- волновое сопротивление параллельного резонансного контура L1C1.Where
Figure 00000003
- wave impedance of the parallel resonant circuit L1C1.

При активном сопротивлении короткозамкнутого контура, составляющем единицы мОм, постоянная времени затухания тока циркуляции во много раз превосходит длительность первого дополнительного интервала. В результате чего величину тока циркуляции на всей длительности первого дополнительного интервала можно считать неизменной и равной значению ΔI. Обозначим длительность первого дополнительного интервала символом ΔТ1. При этом ΔT1=t3-t2.With an active resistance of a short-circuited circuit of units of mOhm, the damping time constant of the circulation current is many times greater than the duration of the first additional interval. As a result, the magnitude of the circulation current over the entire duration of the first additional interval can be considered unchanged and equal to the value of ΔI. Denote the duration of the first additional interval by the symbol ΔТ1. Moreover, ΔT1 = t3-t2.

Интервал (t3 - t2).Interval (t3 - t2).

По завершении интервала ΔТ1 вспомогательный ключ 11 запирается, а основной ключ 7 отпирается, забирая на себя ток нагрузки Iн. За счет магнитной связи между индуктивностями резонансной цепи 12, ток, накопленный в индуктивности дросселя L1, равный сумме тока нагрузки Iн и тока циркуляции ΔI, переводится в индуктивность дросселя L2, после чего данный ток при помощи дополнительного диода 13 заряжает емкость конденсатора С2 до начального напряжения:At the end of the interval ΔT1, the auxiliary key 11 is locked, and the main key 7 is unlocked, taking on itself the load current In. Due to the magnetic coupling between the inductances of the resonant circuit 12, the current accumulated in the inductance of the inductor L1, equal to the sum of the load current In and the circulation current ΔI, is converted into the inductance of the inductor L2, after which this current charges the capacitor C2 with an additional diode 13 to the initial voltage :

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- волновое сопротивление резонансного контура L2C2.Where
Figure 00000005
- wave impedance of the resonant circuit L2C2.

Интервал t4 - t3.Interval t4 - t3.

По окончании длительности ШИМ сигнала 1, его задний фронт запускает второй импульс 3 управления вспомогательным ключом 13 в рассматриваемом цикле коммутаций. При этом индуктивность резонансного дросселя L1 и емкость конденсатора С2, образуют последовательный резонансный контур, который формирует ток, направленный встречно току нагрузки в основном ключе. Волновое сопротивление данного контура ввиду равенства индуктивностей резонансных дросселей L1 и L2 соответствует значению

Figure 00000006
. Когда через четверть периода резонансной частоты последовательного резонансного контура L1C2 емкость конденсатора С2 полностью разряжается, амплитуда встречного тока достигает значения: UC2(0)/ρ2=IH+ΔI и рассматриваемый интервал заканчивается. В устройстве прототипа сразу после разряда конденсатора С2 вспомогательный ключ 11 запирался. При этом снимался сигнал управления и с основного ключа 7, что обеспечивало его запирание при нулевом токе.At the end of the duration of the PWM signal 1, its trailing edge starts the second pulse 3 control auxiliary key 13 in the considered switching cycle. In this case, the inductance of the resonant inductor L1 and the capacitance of the capacitor C2 form a series resonant circuit that generates a current directed counter to the load current in the main key. The impedance of this circuit due to the equality of the inductances of the resonant reactors L1 and L2 corresponds to the value
Figure 00000006
. When after a quarter of the period of the resonant frequency of the series resonant circuit L1C2, the capacitance of the capacitor C2 is completely discharged, the amplitude of the counter current reaches the value: U C2 (0) / ρ 2 = I H + ΔI and the interval under consideration ends. In the prototype device, immediately after the discharge of the capacitor C2, the auxiliary key 11 was locked. At the same time, the control signal was also taken from the main key 7, which ensured its locking at zero current.

Интервал (t5 - t4).Interval (t5 - t4).

В представленном способе управления после разряда конденсатора С2 вспомогательный ключ 11 остается в замкнутом состоянии. При этом в цикл коммутаций вводится второй дополнительный интервал, основанный на свободной циркуляции тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом 11, резонансным дросселем L1, а также встречно-параллельным диодом основного ключа 7 и его противофазным диодом 9. Обозначим длительность второго дополнительного интервала символом ΔТ2. При этом ΔT2=t6-t5.In the presented control method, after the discharge of the capacitor C2, the auxiliary key 11 remains in the closed state. At the same time, a second additional interval is introduced into the switching cycle based on the free circulation of the current ΔI of the resonant inductor L1 in the short-circuit circuit formed by the auxiliary key 11, the resonant inductor L1, and also the counter-parallel diode of the main switch 7 and its antiphase diode 9. Denote the duration second additional interval with the symbol ΔТ2. Moreover, ΔT2 = t6-t5.

Интервал (t6 - t5).Interval (t6 - t5).

По завершении интервала ΔТ2 вспомогательный ключ 11 запирается. При этом снимается импульс управления 4 с основного ключа 7, после чего он запирается при нулевом токе. За счет магнитной связи между индуктивностями резонансной цепи 12, ток, накопленный в индуктивности дросселя L1, равный сумме тока нагрузки 1н и тока циркуляции ΔI, переводится в индуктивность дросселя L2, после чего данный ток при помощи дополнительного диода 13 начинает заряжать емкость конденсатора С2. Однако, при выключенном основном ключе 7 ток нагрузки Iн через открытый дополнительный противофазный диод 10 одновременно начинает разряжать емкость конденсатора С2 и заряжать емкость конденсатора С1. После того как конденсатор С1 зарядится до напряжения источника питания Е, конденсатор С2 полностью разрядится. При этом откроется противофазный диод 9 и ток нагрузки Iн полностью перейдет в цепь составной диодной схемы 8. По завершении последнего интервала начальные токи и напряжения на всех элементах РК вернутся к исходным начальным значениям, и схема РК будет готова к новому циклу коммутаций, начало которому будет задавать последующий ШИМ сигнал.At the end of the interval ΔT2 auxiliary key 11 is locked. In this case, the control pulse 4 is removed from the main key 7, after which it is locked at zero current. Due to the magnetic coupling between the inductances of the resonant circuit 12, the current accumulated in the inductance of the inductor L1, equal to the sum of the load current 1n and the circulation current ΔI, is converted to the inductance of the inductor L2, after which this current starts charging the capacitor C2 using an additional diode 13. However, when the main key 7 is turned off, the load current In through the open additional antiphase diode 10 simultaneously begins to discharge the capacitance of capacitor C2 and charge the capacitance of capacitor C1. After the capacitor C1 is charged to the voltage of the power source E, the capacitor C2 is completely discharged. In this case, the antiphase diode 9 opens and the load current Iн completely transfers to the circuit of the composite diode circuit 8. At the end of the last interval, the initial currents and voltages on all elements of the RK will return to the initial initial values, and the RK circuit will be ready for a new switching cycle, the beginning of which will be set the subsequent PWM signal.

Рассмотрим влияние отклонения параметров электрического режима схемы (Е и Iн) и параметров компонентов резонансной цепи 12 (L1, L2, С1 и С2) от номинальных значений на длительности интервалов коммутаций, которое поясняется диаграммами на Фиг. 4.Consider the influence of the deviation of the parameters of the electric mode of the circuit (E and In) and the parameters of the components of the resonant circuit 12 (L1, L2, C1 and C2) from the nominal values on the duration of the switching intervals, which is illustrated by the diagrams in FIG. 4.

Максимальная длительность первого интервала (t1max-t0) определяется по формуле:The maximum duration of the first interval (t1max-t0) is determined by the formula:

Figure 00000007
Figure 00000007

При всех других допустимых значениях параметров длительность первого интервала (t1-t0) будет короче, при этом минимальное значение длительности первого интервала (t1min-t0) будет равно:For all other valid parameter values, the duration of the first interval (t1-t0) will be shorter, while the minimum duration of the first interval (t1min-t0) will be:

Figure 00000008
Figure 00000008

Отметим, что изменение параметра Е, в соответствие с формулой (2) будет приводить к изменению амплитуда тока циркуляции ΔI.Note that a change in the parameter E, in accordance with formula (2), will lead to a change in the amplitude of the circulation current ΔI.

Выбирая длительность первого сигнала управления 2 вспомогательным ключом 11 из условия:Choosing the duration of the first control signal 2 auxiliary key 11 from the condition:

Figure 00000009
Figure 00000009

получаем независимость выполнения условия отпирания основного ключа 7 при нулевом напряжении от изменения параметров. При этом разница между максимальной длительностью первого интервала (t1max-t0) и остальными возможными, но более короткими интервалами (t1-t0), будет компенсироваться первым дополнительным интервалом ΔТ1 свободной циркуляции тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура.we obtain the independence of the condition for unlocking the main key 7 at zero voltage from changing the parameters. In this case, the difference between the maximum duration of the first interval (t1max-t0) and the remaining possible but shorter intervals (t1-t0) will be compensated by the first additional interval ΔТ1 of free circulation of current ΔI of the resonant inductor L1 in the short-circuit circuit.

Максимальная длительность временного интервала (t4max-t3) определяется по формуле:The maximum duration of the time interval (t4max-t3) is determined by the formula:

Figure 00000010
Figure 00000010

При всех других допустимых значениях параметров длительность временного интервала (t4-t3) будет короче, при этом минимальное значение длительности данного интервала (t4min-t3) будет равно:For all other valid parameter values, the duration of the time interval (t4-t3) will be shorter, while the minimum value of the duration of this interval (t4min-t3) will be:

Figure 00000011
Figure 00000011

Выбирая длительность второго сигнала управления 3 вспомогательным ключом 11 из условия:Choosing the duration of the second control signal 3 auxiliary key 11 from the condition:

Figure 00000012
Figure 00000012

получаем независимость выполнения условия запирания основного ключа 7 при нулевом токе от изменения параметров. При этом разница между максимальной длительностью временного интервала (t4max-t3) и остальными возможными, но более короткими интервалами (t4-t3), будет компенсироваться вторым дополнительным интервалом ΔТ2 свободной циркуляции тока ΔI резонансного дросселя L1 в цепи короткозамкнутого контура.we obtain the independence of the condition for locking the main key 7 at zero current from changing parameters. In this case, the difference between the maximum duration of the time interval (t4max-t3) and the remaining possible but shorter intervals (t4-t3) will be compensated by the second additional interval ΔТ2 of free circulation of the current ΔI of the resonant inductor L1 in the short-circuit circuit.

Введение двух новых интервалов ΔT1 и ΔТ2 в цикл коммутаций позволяет установить также равными длительности первого 2 и второго 3 сигналов управления вспомогательным ключом 11 и синхронизировать импульс управления 4 основным ключом 7 с импульсом ШИМ сигнала 1.The introduction of two new intervals ΔT1 and ΔT2 in the switching cycle allows you to set equal to the duration of the first 2 and second 3 control signals of the auxiliary key 11 and synchronize the control pulse 4 of the main key 7 with the pulse of the PWM signal 1.

Из двух максимальных по времени длительностей интервалов (t1max-t0) и (t4max-t3) выбирается тот, который является наибольшим. В схемах РК данного типа емкость конденсатора С2 значительно больше емкости конденсатора С1. По этой причине практически всегда выполняется условие: (t4max-t3)>(t1max-t0). Поэтому длительность второго сигнала управления 3 вспомогательным ключом 11 по-прежнему выбирают из условия (9). При этом для установления равенства Δt2=Δt3 длительность первого 2 сигнала управления вспомогательным ключом 11 искусственно увеличивают за счет добавочной длительности первого дополнительного интервала свободной циркуляции на величину:Of the two maximum time intervals (t1max-t0) and (t4max-t3), the one that is the largest is selected. In RC circuits of this type, the capacitance of capacitor C2 is much greater than the capacitance of capacitor C1. For this reason, the condition is almost always satisfied: (t4max-t3)> (t1max-t0). Therefore, the duration of the second control signal 3 by the auxiliary key 11 is still selected from condition (9). Moreover, to establish the equality Δt2 = Δt3, the duration of the first 2 control signals of the auxiliary key 11 is artificially increased due to the additional duration of the first additional free circulation interval by:

Figure 00000013
Figure 00000013

При этом длительность импульса управления 4 основным ключом 7 в составе РК, становится равной длительности импульса ШИМ сигнала 1 в логической последовательности сигналов системы управления преобразователем и сдвинутой относительно его переднего фронта на фиксированную по времени величину. Таким образом, в представленном способе управления обеспечивается синхронизация импульсов управления всеми ключами в составе РК с классическими сигналами ШИМ последовательности.In this case, the duration of the control pulse 4 by the main key 7 in the RC, becomes equal to the pulse width of the PWM signal 1 in the logical sequence of signals of the converter control system and shifted relative to its leading edge by a fixed value in time. Thus, in the presented control method, the synchronization of control pulses of all keys in the PK with the classical signals of the PWM sequence is provided.

В подтверждение достигнутого результата в предложенном способе управления резонансным ключом на Фиг. 5 представлены экспериментальные данные процесса коммутации непрерывного тока индуктивной нагрузки величиной 100 А в схеме, аналогичной Фиг. 2, с источником напряжения питания 600 В.In confirmation of the result achieved in the proposed method for controlling the resonance key in FIG. 5 shows the experimental data of the process of switching a continuous current of inductive load of 100 A in a circuit similar to FIG. 2, with a voltage source of 600 V.

На Фиг. 5 показаны следующие диаграммы:In FIG. 5 shows the following diagrams:

- логические импульсы управления: первый 2 и второй 3 импульсы управления вспомогательным ключом 11 одинаковой длительности 150 не и импульс управления 4 основным ключом 7 в составе РК длительностью 1 мкс;- logical control pulses: the first 2 and second 3 control pulses of the auxiliary key 11 of the same duration of 150 ns and the control pulse 4 of the main key 7 as part of the RC with a duration of 1 μs;

- синхронизированные по времени с импульсами управления напряжение 5 и ток 6 основного ключа 7 в процессе коммутации.- voltage 5 and current 6 of the main switch 7 synchronized in time with the control pulses during the switching process.

Масштаб по вертикали: для логических импульсов управления 2, 3 и 4 - 10 В на деление; для напряжения основного ключа 7 - 500 В на деление; для тока основного ключа 7 - 100 А на деление. Масштаб по горизонтали для всех диаграмм - 200 нс на деление.Vertical scale: for logic control pulses 2, 3 and 4 - 10 V per division; for the voltage of the main switch 7 - 500 V per division; for the current of the main switch 7 - 100 A per division. The horizontal scale for all diagrams is 200 ns per division.

Claims (1)

Способ управления резонансным ключом, при котором вспомогательный ключ в составе резонансного ключа отпирается дважды в каждом из циклов коммутаций, при этом начало первого импульса управления вспомогательным ключом синхронизируют с передним фронтом ШИМ сигнала в логической последовательности сигналов системы управления преобразователем, начало второго импульса управления вспомогательным ключом синхронизируют с задним фронтом ШИМ сигнала, начало длительности импульса управления основным ключом в составе резонансного ключа синхронизируют с задним фронтом первого импульса управления вспомогательным ключом, а окончание длительности импульса управления основным ключом синхронизируют с задним фронтом второго импульса управления вспомогательным ключом, отличающийся тем, что в каждый из циклов коммутаций резонансного ключа вводят два дополнительных интервала свободной циркуляции части тока резонансного дросселя в цепи короткозамкнутого контура, образованного вспомогательным ключом, последовательно соединенным с ним резонансным дросселем, а также встречно-параллельным диодом основного ключа и его противофазным диодом, при этом длительность первого импульса управления вспомогательным ключом устанавливают равной длительности второго импульса управления вспомогательным ключом, а импульс управления основным ключом становится равным по длительности импульсу ШИМ сигнала и сдвинутым относительно его переднего фронта на фиксированную по времени величину.A method for controlling a resonant key, in which the auxiliary key in the resonant key is unlocked twice in each of the switching cycles, the beginning of the first pulse of control of the auxiliary key is synchronized with the leading edge of the PWM signal in the logical sequence of signals from the converter control system, the beginning of the second pulse of control of the auxiliary key is synchronized with a trailing edge of the PWM signal, the beginning of the duration of the control pulse of the main key in the composition of the resonance key sync they are synchronized with the trailing edge of the first auxiliary key control pulse, and the end of the duration of the main key control pulse is synchronized with the trailing edge of the second auxiliary key control pulse, characterized in that two additional free-circulation intervals of the resonant inductor part of the current are introduced into the circuit in each of the switching cycles of the resonant key a short-circuited circuit formed by an auxiliary key connected in series with a resonant inductor, as well as a counter-pa allelic diode master key and its antiphase diode, wherein the duration of the first pulse controlling the auxiliary key is set equal to the duration of the second auxiliary key control pulse, and the pulse control main key becomes equal to the duration of the PWM signal and shifted relative to its leading edge at the time a fixed value.
RU2019115871A 2019-05-23 2019-05-23 Resonance key control method RU2711312C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115871A RU2711312C1 (en) 2019-05-23 2019-05-23 Resonance key control method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115871A RU2711312C1 (en) 2019-05-23 2019-05-23 Resonance key control method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2711312C1 true RU2711312C1 (en) 2020-01-16

Family

ID=69171701

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019115871A RU2711312C1 (en) 2019-05-23 2019-05-23 Resonance key control method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2711312C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6016258A (en) * 1998-10-02 2000-01-18 Nortel Networks Corporation Full bridge DC-DC converters
RU2457600C1 (en) * 2011-04-26 2012-07-27 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") Power module with multi-resonance circuit (versions)
WO2015093990A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 Auckland Uniservices Limited Inductive power transfer pick-up circuit with output current doubler
RU169427U1 (en) * 2016-11-08 2017-03-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Magnetically coupled resonance key

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6016258A (en) * 1998-10-02 2000-01-18 Nortel Networks Corporation Full bridge DC-DC converters
RU2457600C1 (en) * 2011-04-26 2012-07-27 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") Power module with multi-resonance circuit (versions)
WO2015093990A1 (en) * 2013-12-20 2015-06-25 Auckland Uniservices Limited Inductive power transfer pick-up circuit with output current doubler
RU169427U1 (en) * 2016-11-08 2017-03-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Magnetically coupled resonance key

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9985516B2 (en) DC/DC converter and method for zero voltage switching
EP1519474B1 (en) Synchronization of multiphase synthetic ripple voltage regulator
CN103997213B (en) The saturation of forward converter transformer is prevented
CN101534060B (en) Switching control circuit for multi-channels and multi-phases power converter
US20050001597A1 (en) Synchronization of multiphase synthetic ripple voltage regulator
CN104079167A (en) Control circuit, switching power supply and control method
CN101364763B (en) Driven switch circuit and alternating driven switch method
Fnato et al. Wireless power distribution with capacitive coupling excited by switched mode active negative capacitor
CN106059290A (en) Multi-channel DC-DC converter and control circuit and method
US20200119635A1 (en) Resonant switched capacitor dc/dc converter
Zhang et al. A new design method for high efficiency DC-DC converters with flying capacitor technology
CN114421761A (en) Three-level converter with flying capacitor and control method
EP1081824A2 (en) A method and an apparatus for equalising the voltages over the capacitors in a series connection of capacitors during charging and discharging
Zhou et al. A high efficiency synchronous buck converter with adaptive dead-time control
RU2711312C1 (en) Resonance key control method
CN112421953B (en) Multiphase converter and control circuit and control method thereof
RU2457600C1 (en) Power module with multi-resonance circuit (versions)
US11888414B2 (en) Driving circuit and driving method
CN101494415A (en) Switching type power supply apparatus and method for improving light load efficiency
WO2020211059A1 (en) Multi-phase signal control circuit and method
CN106533172B (en) DC voltage-reducing voltage stabilizer and pulse frequency modulation control circuit and method thereof
RU212998U1 (en) RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE
Liu et al. A dynamic buck converter with ultra fast response and low voltage ripples designed for DVS systems
CN114244101B (en) Switch capacitor resonance type direct current converter
RU2040105C1 (en) A c converter for power supply of inductor