RU115980U1 - MULTI-PHASE VOLTAGE CONVERTER (OPTIONS) - Google Patents
MULTI-PHASE VOLTAGE CONVERTER (OPTIONS) Download PDFInfo
- Publication number
- RU115980U1 RU115980U1 RU2011136063/07U RU2011136063U RU115980U1 RU 115980 U1 RU115980 U1 RU 115980U1 RU 2011136063/07 U RU2011136063/07 U RU 2011136063/07U RU 2011136063 U RU2011136063 U RU 2011136063U RU 115980 U1 RU115980 U1 RU 115980U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- converter
- transistors
- outputs
- capacitors
- converters
- Prior art date
Links
Abstract
1. Многофазный преобразователь напряжения, включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя, соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор и дроссель, к общей точке которых подключены катоды диодов, а их аноды соединены с общей шиной преобразователя, и схему управления с многофазным ШИМ контроллером и драйверами, входы которых подключены к соответствующим выходам контроллера, а выходы - к управляющим электродам транзисторов, отличающийся тем, что дополнительно введены коммутирующие дроссели по числу, равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек. ! 2. Многофазный преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что схема управления содержит (N+1+k)/2 двухтактных драйверов и многофазный ШИМ контроллер, выходами подключенный к входам драйверов, противотактные выходы которых подключены к управляющим электродам транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующим дросселем. ! 3. Многофазный преобразователь напряжения, включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительным 1. A multiphase voltage converter, including input and output capacitors, the terminals of which form the input and output terminals of the converter, respectively, the negative plates of the capacitors are combined and form a common bus of the converter, and N + 1 + k parallel-connected down-type converters are connected between the positive terminals of the capacitors, each of which contains a series-connected transistor and a choke, to a common point of which the cathodes of the diodes are connected, and their anodes are connected to the common bus of the converter, and a control circuit with a polyphase PWM controller and drivers, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the controller, and the outputs to the control electrodes of transistors, characterized in that switching inductors are additionally introduced by a number equal to (N + 1 + k) / 2, connected between the collectors of transistors of even and odd converters of the step-down type, forming (N + 1 + k) / 2 conversion cells. ! 2. A polyphase voltage converter according to claim 1, characterized in that the control circuit contains (N + 1 + k) / 2 push-pull drivers and a polyphase PWM controller, outputs connected to the inputs of the drivers, the counter-current outputs of which are connected to the control electrodes of the even and odd transistors step-down converters united by a commutating choke. ! 3. A polyphase voltage converter, including input and output capacitors, the terminals of which form the input and output terminals of the converter, respectively, the negative plates of the capacitors are combined and form a common bus of the converter, and between the positive
Description
Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии постоянного тока в энергию постоянного тока.The inventive utility model relates to electrical engineering, in particular to devices for converting input DC energy into DC energy.
Многофазные преобразователи напряжения широко используются в таких устройствах как: интеллектуальные источники питания повышенной живучести ответственных радиотехнических комплексов, зарядные устройства аккумуляторных батарей; зарядные устройства емкостных накопителей энергии, преобразователи напряжения в солнечной энергетике, а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.Multiphase voltage converters are widely used in such devices as: intelligent power sources of increased survivability of critical radio complexes, battery chargers; Chargers for capacitive energy storage devices, voltage converters in solar energy, as well as in technological power sources, the load of which can vary over a wide range.
Известен многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное понижающего типа (патент США №4.194.147, от 18.03.1980 М.кл. G05F 1/40), включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N параллельно соединенных ячеек преобразователей понижающего типа, и схему управления с контроллером и N драйверами, входы которых подключены к выходам контроллера, а выходы к управляющим электродам транзисторов.Known multiphase DC-DC Converter down-type (US patent No. 4.194.147, 03/18/1980 Mcl G05F 1/40), including input and output capacitors, the conclusions of which form the input and output terminals of the Converter, respectively, the negative plates of the capacitors combined and form a common converter bus, and between the positive terminals of the capacitors included N parallel-connected cells of the down-converter type, and a control circuit with a controller and N drivers, the inputs of which are connected values to the controller outputs, and the outputs to the control electrodes of transistors.
К положительным свойствам преобразователя относятся, прежде всего, широкий диапазон и гибкость регулирования напряжения и тока, однако он характеризуется неоправданно высоким значением динамических потерь, что определяется жестким режимом включения транзистора, что сопровождается постепенной деградацией кристаллов транзисторов и снижением срока жизни преобразователя.The positive properties of the converter include, first of all, a wide range and flexibility of voltage and current regulation, however, it is characterized by an unreasonably high value of dynamic losses, which is determined by the rigid switching mode of the transistor, which is accompanied by a gradual degradation of transistor crystals and a decrease in the converter's life.
Последующие изобретения такого рода многофазных преобразователей направлены на повышение надежности и живучести за счет введения резервной избыточности N+1 (патент США №4.204.243, от 20.05 1980, М.кл. П06А 11/00), резервной избыточности N+1+k (патент РФ №1804678 A3, от 23.03.1993, М.кл G05F 1/59), совершенствование способов управления группами источников питания в различных применениях, например в системах гарантированного электропитания (Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М.Ромаш, Ю.И.Драбович, Н.Н.Юрченко, П.Н.Шевченко. - М.: Радио и связь, 1988. С.248, рис.7.5, а), солнечной энергетике (патент США №2011/0144822, от 16.06.2011, М.кл. G06F 1/28). Однако вопросы повышения надежности, связанные с динамическими потерями, реализовывались преимущественно за счет введения дополнительных снабберных активных и пассивных цепей, но разгрузка полупроводниковых кристаллов приводила, как правило, к снижению коэффициента полезного действия.Subsequent inventions of this kind of multiphase converters are aimed at improving reliability and survivability by introducing backup redundancy N + 1 (US patent No. 4.204.243, dated 05.20 1980, Mcl P06A 11/00), backup redundancy N + 1 + k ( RF patent No. 1804678 A3, dated March 23, 1993, M.cl G05F 1/59), improving methods for controlling groups of power supplies in various applications, for example, in guaranteed power supply systems (High-frequency transistor converters / E.M. Romash, Yu.I. Drabovich, N.N. Yurchenko, P.N. Shevchenko. - M.: Radio and communications, 1988. S. 248, Fig. 7.5, a ), solar energy (US patent No. 2011/0144822, dated 16.06.2011, M.cl. G06F 1/28). However, questions of increasing reliability associated with dynamic losses were realized mainly due to the introduction of additional snubber active and passive circuits, but unloading of semiconductor crystals led, as a rule, to a decrease in the efficiency.
Известен многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное квазирезонансного типа (патент РФ №2112739, от 10.06.1998, М.кл. C01B 13/11) включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N параллельно соединенных ячеек квазирезонансных преобразователей понижающего типа, и схему управления с контроллером и N драйверами, входы которых подключены к выходам контроллера с частотно-импульсным регулированием, а выходы к управляющим электродам транзисторов.Known multiphase DC-to-DC converter of quasi-resonant type (RF patent No. 2112739, dated 10.06.1998, Mcl. C01B 13/11) including input and output capacitors, the conclusions of which form the input and output terminals of the converter, respectively, the negative capacitor plates are combined and form a common converter bus, and between the positive terminals of the capacitors included N parallel connected cells of quasi-resonant down-converters, and a control circuit with a controller and N drivers and, the inputs of which are connected to the outputs of the controller with pulse-frequency regulation, and the outputs to the control electrodes of transistors.
Основным преимуществом такого преобразователя является исключение динамических потерь, поскольку транзисторы при квазирезонансных режимах коммутации переключаются либо в ноль напряжения, либо в ноль тока. Однако, квазирезонансный преобразователь характеризуется ограниченным диапазоном регулирования выходных параметров (тока, напряжения), поскольку постоянство длительности резонансного колебания позволяет реализовать регулирование только изменением длительности паузы, то есть - частотно-импульсное регулирование. Расширение этого диапазона выдвигает повышенные требования к частотным свойствам полупроводниковых приборов, магнитным материалам и конденсаторам, особенно с нагрузкой, изменяющейся от короткого замыкания до холостого хода. Кроме того, изменение частоты в широких пределах сопровождается изменением величины пульсаций потребляемого тока и выходного напряжения, что выдвигает повышенные требования к фильтрующим элементам.The main advantage of such a converter is the elimination of dynamic losses, since transistors under quasi-resonant switching modes switch either to zero voltage or to zero current. However, the quasi-resonant converter is characterized by a limited range of regulation of the output parameters (current, voltage), since the constancy of the duration of the resonant oscillation allows regulation to be realized only by changing the pause duration, i.e., pulse-frequency regulation. The expansion of this range puts forward increased demands on the frequency properties of semiconductor devices, magnetic materials and capacitors, especially with a load that varies from short circuit to idle. In addition, the change in frequency over a wide range is accompanied by a change in the magnitude of the ripple of the consumed current and output voltage, which puts forward increased demands on the filter elements.
Наиболее близким, по техническому решению, является многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное (патент РФ №1804678 A3, от 23.03.1993, М.кл G05F 1/59), включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор и дроссель к общей точке которых подключены катоды диодов, а их аноды соединены с общей шиной преобразователя и схему управления с многофазным ШИМ контроллером и драйверами, входы которых подключены к соответствующим выходам контроллера, а выходы к управляющим электродам транзисторов.The closest, by technical solution, is a multiphase DC-to-DC converter (RF patent No. 1804678 A3, 03.23.1993, M.cl G05F 1/59), including input and output capacitors, the conclusions of which form the input and output terminals of the converter, respectively , the negative plates of the capacitors are combined and form a common converter bus, and between the positive terminals of the capacitors are N + 1 + k parallel-connected down-converters, each of which contains a series connection internal transistor and inductor to the common point of which the diode cathodes are connected, and their anodes are connected to a common converter bus and a control circuit with a multiphase PWM controller and drivers, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the controller, and the outputs to the control electrodes of the transistors.
Достоинством многофазного преобразователя являются повышенная в N раз частота пульсаций входного и выходного тока и возможность резервирования за счет введения дополнительной ячейки «горячего» резерва и k ячеек «холодного резерва», а к недостаткам относится неоправданно высокое значение динамических потерь, связанное с тем, что к моменту включения транзистора, его емкость заряжена до уровня входного напряжения и при включении транзистора эта емкость разряжается импульсным током, в десятки раз превышающим номинальное значение тока транзистора. Кроме того, дополнительно в этот же момент транзистор нагружается еще и обратным током выключающегося диода по цепи: положительная обкладка входного конденсатора - транзистор - диод - отрицательная обкладка выходного конденсатора. Суммарное значение этого импульсного тока сопровождается выделением на кристалле транзистора мощности в десятки киловатт за доли микросекунды, что приводит к постепенной деградации кристалла и, как следствие, к сокращению срока службы преобразователя.The advantage of a multiphase converter is an increase in N times the ripple frequency of the input and output currents and the possibility of redundancy due to the introduction of an additional “hot” reserve cell and k “cold reserve” cells, and the disadvantages include the unreasonably high value of dynamic losses due to the fact that the moment the transistor is turned on, its capacitance is charged to the level of the input voltage, and when the transistor is turned on, this capacitance is discharged by a pulse current tens of times higher than the rated value of the current anzistora. In addition, in addition, at the same moment, the transistor is also loaded with the reverse current of the turning off diode along the circuit: positive lining of the input capacitor - transistor - diode - negative lining of the output capacitor. The total value of this pulse current is accompanied by the release of tens of kilowatts per microsecond of power on the transistor's crystal, which leads to a gradual degradation of the crystal and, as a result, to a reduction in the converter's service life.
В известных устройствах, снижение динамических нагрузок на кристалл транзистора достигается включением в схему снабберных RC или RLC цепей, что приводит к снижению коэффициента полезного действия. Кроме того, для равномерного распределения тока между N работающими ячейками преобразователей, необходимо вводить дополнительные цепи контроля выходных параметров (тока и напряжения) каждой ячейки и регулирования этих величин, что сопровождается ростом стоимости преобразователя и снижением надежности.In known devices, the reduction of dynamic loads on the transistor crystal is achieved by the inclusion of snubber RC or RLC circuits in the circuit, which leads to a decrease in the efficiency. In addition, for a uniform distribution of current between N operating cells of the converters, it is necessary to introduce additional control circuits for the output parameters (current and voltage) of each cell and control these values, which is accompanied by an increase in the cost of the converter and a decrease in reliability.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание многофазного преобразователя постоянного напряжения в постоянное понижающего типа с обеспечением мягкого переключения транзисторов, при котором отсутствуют всплески выделяемой на кристалле транзистора мощности в моменты включения и выключения транзистора.The main task to which the invention is directed is to create a multiphase converter of direct voltage to constant step-down type with soft switching of transistors, in which there are no bursts of power released on the transistor's crystal at the moments of turning the transistor on and off.
Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия посредством уменьшения динамических потерь, а также повышение надежности, и, как следствие, увеличение срока службы преобразователя не только за счет резервирования, но и за счет многократного снижения процессов деградации кристаллов транзисторов и придания парам ячеек, содержащим коммутирующие дроссели, «естественных» свойств выравнивания токов между ними.The technical result is to increase the efficiency by reducing dynamic losses, as well as increasing reliability, and, as a result, increasing the life of the converter not only due to redundancy, but also due to the multiple reduction of the degradation processes of transistor crystals and giving pairs of cells containing switching chokes , "Natural" properties of equalization of currents between them.
Поставленная задача по первому варианту достигается тем, что в многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, дополнительно введены коммутирующие дроссели, по числу равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек.The task in the first embodiment is achieved by the fact that in the multiphase DC-to-DC converter, switching chokes are additionally introduced, in a number equal to (N + 1 + k) / 2, included between the collectors of transistors of even and odd down-converter, forming (N + 1 + k) / 2 conversion cells.
Оптимально, чтобы схема управления содержала (N+1+k)/2 двухтактных драйверов и многофазный ШИМ контроллер, выходами подключенный к входам драйверов, противотактные выходы которых подключены к управляющим электродам транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующим дросселем.It is optimal for the control circuit to contain (N + 1 + k) / 2 push-pull drivers and a multiphase PWM controller with outputs connected to the driver inputs, the counter-current outputs of which are connected to the control electrodes of the transistors of even and odd buck converters, combined by a switching choke.
Поставленная задача по второму варианту достигается тем, что в многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, включающий входной и выходной конденсаторы, выводы которых образуют входные и выходные выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину преобразователя, а между положительными выводами конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор и дроссель, дополнительно введены N+1+k транзисторов и коммутирующие дроссели, по числу равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек, а между общей точкой последовательно соединенных транзистора и дросселя каждого преобразователя понижающего типа и общей шиной многофазного преобразователя включен транзистор, управляющий электрод которого связан с выходом соответствующего драйвера.The task according to the second embodiment is achieved by the fact that in a multiphase DC to DC converter, including input and output capacitors, the terminals of which form the input and output terminals of the converter, respectively, the negative plates of the capacitors are combined and form a common converter bus, and N is connected between the positive terminals of the capacitors + 1 + k parallel-connected step-down converters, each of which contains a transistor and a choke connected in series Or, in addition, N + 1 + k transistors and commutating reactors were introduced, in a number equal to (N + 1 + k) / 2, included between the collectors of transistors of even and odd down-converters, forming (N + 1 + k) / 2 converter cells and between the common point of the transistor and inductor of each step-down converter connected in series and the common bus of the multiphase converter, a transistor is connected, the control electrode of which is connected to the output of the corresponding driver.
Оптимально, чтобы схема управления содержала (N+1+k)/2 двухтактных драйверов с двумя парами противотактных выводов и многофазный ШИМ контроллер, выходами подключенный к входам драйверов, вторая пара противотактных выходов подключена к управляющим электродам введенных транзисторов четных и нечетных преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующим дросселем.It is optimal that the control circuit contains (N + 1 + k) / 2 push-pull drivers with two pairs of push-pull outputs and a multiphase PWM controller with outputs connected to the driver inputs, a second pair of push-pull outputs is connected to the control electrodes of the input transistors of even and odd down-converter, united by a switching choke.
На фиг.1 приведена схема многофазного преобразователя напряжения по первому варианту, на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы преобразователя, а на фиг.3 приведена схема многофазного преобразователя напряжения по второму варианту.Figure 1 shows a diagram of a multiphase voltage converter according to the first embodiment, figure 2 shows timing diagrams explaining the principle of operation of the converter, and figure 3 shows a diagram of a multiphase voltage converter according to the second embodiment.
Многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное по первому варианту содержит входной 1 и выходной 2 конденсаторы, выводы которых образуют входные 3, 4 и выходные 5, 4 выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину 4 многофазного преобразователя, а между положительными выводами 3 и 5 конденсаторов включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор 6 (9) и дроссель 7 (10), к общей точке которых подключены катоды диодов 8 (11), а их аноды соединены с общей шиной 4 преобразователя и схему управления 12 с многофазным ШИМ контроллером 13 и драйверами 14, 15, …, входы которых подключены к одному из выходов контроллера 13. В преобразователь напряжения для повышения коэффициента полезного действия и надежности, дополнительно введены коммутирующие дроссели 16, …(N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных 6, 7, 8 и нечетных 9, 10, 11 преобразователей понижающего типа, драйверы, числом (N+1+k)/2, выполнены с противотактными выходами, подключенными к управляющим электродам транзисторов четных 6, 7, 8 и нечетных 9, 10, 11 преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующими дросселями 16.The multiphase DC-to-DC converter according to the first embodiment contains input 1 and output 2 capacitors, the terminals of which form the input 3, 4 and output 5, 4 outputs of the converter, respectively, the negative plates of the capacitors are combined and form a common bus 4 of the multiphase converter, and 3 between the positive conclusions 3 and 5 capacitors included N + 1 + k parallel-connected down-converter type, each of which contains a transistor 6 (9) and a choke 7 (10) connected in series to the total the point of which the cathodes of diodes 8 (11) are connected, and their anodes are connected to a common bus 4 of the converter and a control circuit 12 with a multiphase PWM controller 13 and drivers 14, 15, ..., the inputs of which are connected to one of the outputs of the controller 13. The voltage converter for increase of efficiency and reliability, commutation chokes 16, ... (N + 1 + k) / 2 are added, included between the collectors of transistors of even 6, 7, 8 and odd 9, 10, 11 down-converter, drivers, number (N + 1 + k) / 2, made with counter-current outputs and connected to the control electrodes of the transistors of even 6, 7, 8 and odd 9, 10, 11 down-converters, connected by switching chokes 16.
На фиг.2 приняты следующие обозначения: 19, 20 - напряжение управления транзисторами 6, 9 преобразовательной ячейки 17; 21, 22 - напряжение управления транзисторами 6, 9 преобразовательной ячейки 18; 23, 24 и 25 - токи дросселей 7, 10 и 16 преобразовательной ячейки 17 соответственно; 26, 27 и 28 - токи дросселей 7, 10 и 16 преобразовательной ячейки 18 соответственно; 29 и 30 - потенциал и ток стока транзистора 6 преобразовательной ячейки 17 соответственно; 31 и 32 - потенциал и ток стока транзистора 9 преобразовательной ячейки 17 соответственно; 33 и 34 потенциал и ток стока транзистора 6 преобразовательной ячейки 18 соответственно; 35 и 36 - потенциал и ток стока транзистора 9 преобразовательной ячейки 18 соответственно; 37 - ток нагрузки и конденсатора 2; 38 - потребляемый ток и ток конденсатора 1.In figure 2, the following notation: 19, 20 - voltage control transistors 6, 9 of the Converter cell 17; 21, 22 - voltage control transistors 6, 9 of the Converter cell 18; 23, 24 and 25 - the currents of the chokes 7, 10 and 16 of the conversion cell 17, respectively; 26, 27 and 28 are the currents of the chokes 7, 10 and 16 of the converter cell 18, respectively; 29 and 30 are the potential and drain current of the transistor 6 of the converter cell 17, respectively; 31 and 32 are the potential and drain current of the transistor 9 of the converter cell 17, respectively; 33 and 34, the potential and drain current of the transistor 6 of the converter cell 18, respectively; 35 and 36 are the potential and drain current of the transistor 9 of the converter cell 18, respectively; 37 - load current and capacitor 2; 38 - current consumption and current of the capacitor 1.
Многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное по второму варианту (фиг.3), содержит входной 1 и выходной 2 конденсаторы, выводы которых образуют входные 3, 4 и выходные 5, 4 выводы преобразователя соответственно, отрицательные обкладки конденсаторов объединены и образуют общую шину 4 преобразователя, а между положительными выводами 3, 5 конденсаторов 1, 2 включены N+1+k параллельно соединенных преобразователей понижающего типа, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзистор 6 (9) и дроссель 7 (10), дополнительно введены N+1+k транзисторов 39 (40) и коммутирующие дроссели 16, по числу равному (N+1+k)/2, включенные между коллекторами транзисторов четных 18 и нечетных 17 преобразовательных ячеек, образующих (N+1+k)/2 преобразовательных ячеек, а между общей точкой последовательно соединенных транзистора 6(9) и дросселя 7 (10) каждого преобразователя понижающего типа и общей шиной многофазного преобразователя включен транзистор 39 (40), управляющий электрод которого связан с выходом соответствующего драйвера.The multiphase DC to DC converter according to the second embodiment (Fig. 3) contains input 1 and output 2 capacitors, the terminals of which form the input 3, 4 and output 5, 4 outputs of the converter, respectively, the negative plates of the capacitors are combined and form a common bus 4 of the converter, and between the positive terminals 3, 5 of the capacitors 1, 2 included N + 1 + k parallel-connected down-converter type, each of which contains a transistor 6 (9) and a choke 7 (10) connected in series introduced N + 1 + k transistors 39 (40) and commutating chokes 16, equal in number to (N + 1 + k) / 2, included between the collectors of transistors of even 18 and odd 17 converter cells forming (N + 1 + k) / 2 converter cells, and between the common point of the transistor 6 (9) and the inductor 7 (10) of each step-down converter connected in series and the common bus of the multiphase converter, transistor 39 (40) is connected, the control electrode of which is connected to the output of the corresponding driver.
Схема управления содержит (N+1+k)/2 двухтактных драйверов 41, 42, …(N+1)/2, …(N+1+k)/2 с двумя парами противотактных выводов и многофазный ШИМ контроллер 13, выходами подключенный к входам драйверов, вторая пара противотактных выходов драйверов подключена к управляющим электродам введенных транзисторов 39, 40 четных 18 и нечетных 17 преобразователей понижающего типа, объединенных коммутирующими дросселями 16.The control circuit contains (N + 1 + k) / 2 push-pull drivers 41, 42, ... (N + 1) / 2, ... (N + 1 + k) / 2 with two pairs of push-pull terminals and a multi-phase PWM controller 13, outputs connected to the inputs of the drivers, the second pair of counter-current outputs of the drivers is connected to the control electrodes of the transistors 39, 40 even 18 and the odd 17 step-down converters connected by switching chokes 16.
Работу многофазного преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение рассмотрим на примере функционирования двух ячеек преобразователей 17, 18 (фиг.1), фазы управляющих напряжений 19, 20 и 21, 22 которых смещены на половину периода частоты коммутации транзисторов (фиг.2). В установившемся режиме работы преобразователя в момент времени t1 выключается транзистор 9 и в момент времени t2 включается транзистор 6 преобразовательной ячейки 17 под действием выходных напряжений 19, 20 драйвера 14 с противотактными выходами, в соответствии с управляющими сигналами многофазного ШИМ контроллера 13. После выключения транзистора 9 полярность напряжения на дросселе 10 изменяется на противоположную и открывается диод 11, а накопленная в дросселе энергия передается в выходной конденсатор 2 и нагрузку. В интервале времени t2-t5 ток 24 дросселя 10 начинает спадать, а ток 23 дросселя 7, при включенном транзисторе 6, нарастает.The operation of a multiphase DC-DC to DC voltage converter is considered using the example of the functioning of two cells of converters 17, 18 (Fig. 1), the phases of the control voltages 19, 20 and 21, 22 of which are offset by half the period of the switching frequency of the transistors (Fig. 2). In the steady-state operation mode of the converter, at the time t 1, the transistor 9 turns off and at the time t 2 the transistor 6 of the converter cell 17 is turned on under the action of the output voltages 19, 20 of the driver 14 with counter-current outputs, in accordance with the control signals of the multi-phase PWM controller 13. After turning off transistor 9, the polarity of the voltage across the inductor 10 is reversed and the diode 11 opens, and the energy stored in the inductor is transferred to the output capacitor 2 and the load. In the time interval t 2 -t 5, the current 24 of the inductor 10 begins to fall, and the current 23 of the inductor 7, with the transistor 6 turned on, increases.
Аналогично, в момент времени t3 выключается транзистор 9 преобразовательной ячейки 18 и в момент времени t4 включается транзистор 6 этой ячейки по сигналам многофазного ШИМ контроллера под действием выходных напряжений 21, 22 драйвера 15 с противотактными выходами. Выключение транзистора 9 сопровождается изменением полярности напряжения на дросселе 10 на противоположную и отпиранием диода 11 преобразовательной ячейки 18, а накопленная энергия также передается в выходной конденсатор 2 и нагрузку. В интервале времени t4-t7 ток 26 дросселя 10 начинает спадать, а ток 27 дросселя 7 нарастает, накапливая энергию.Similarly, at time t 3 the transistor 9 of the converter cell 18 is turned off and at time t 4 the transistor 6 of this cell is turned on by the signals of the multiphase PWM controller under the action of output voltages 21, 22 of the driver 15 with counter-current outputs. Turning off the transistor 9 is accompanied by a reverse polarity of the voltage across the inductor 10 and unlocking the diode 11 of the converter cell 18, and the stored energy is also transferred to the output capacitor 2 and the load. In the time interval t 4 -t 7, the current 26 of the inductor 10 begins to fall, and the current 27 of the inductor 7 increases, accumulating energy.
В интервалах времени t1-t2, t3-t4, t5-t6 и т.д. оба транзистора соответствующей преобразовательной ячейки выключены, а питание нагрузки обеспечивается энергией выходного конденсатора 2.In time intervals t 1 -t 2 , t 3 -t 4 , t 5 -t 6 , etc. both transistors of the corresponding converter cell are turned off, and the load is supplied with energy by the output capacitor 2.
Процессы мягкого переключения транзисторов обеспечиваются токами перезаряда 25, 28 коммутирующих дросселей 16 каждой преобразовательной ячейки и протекают следующим образом. К концу интервала выключенного состояния, например транзистора 9 (t⇒t5), ток 24 дросселя 10 снижается, а ток 25 коммутирующего дросселя 16 возрастает и когда эти токи сравняются по величине, запирается диод 11 и ток 25 коммутирующего дросселя 16 продолжает протекать теперь уже через открытый транзистор 6, паразитную емкость транзистора 9, снижая потенциал стока 31 до нулевого значения и далее до напряжения отпирания встроенного в транзистор обратного диода. При поступлении отпирающего напряжения 20, в момент времени t6, включение транзистора 9 происходит при нулевом потенциале стока, причем обратный ток 32 через встроенный диод будет протекать до тех пор, пока ток 25 коммутирующего дросселя 18, снижаясь, вновь не сравняется с нарастающим током 23 дросселя 10. Процессы переключения транзисторов других ячеек 17, 18…(N+1+k)/2 протекают аналогично рассмотренным, что отражено временными диаграммами токов 26, 27, 28, 30, 32, 34, 36 и напряжений на фиг.2.The soft switching processes of the transistors are provided by overcharging currents 25, 28 of the switching chokes 16 of each converter cell and proceed as follows. By the end of the off interval, for example, transistor 9 (t⇒t 5 ), the current 24 of the inductor 10 decreases, and the current 25 of the switching inductor 16 increases and when these currents become equal in magnitude, the diode 11 is locked and the current 25 of the switching inductor 16 continues to flow now through the open transistor 6, the parasitic capacitance of the transistor 9, reducing the drain potential 31 to zero and then to the unlock voltage of the reverse diode built into the transistor. Upon receipt of the unlocking voltage 20, at time t 6 , the transistor 9 is turned on at the zero drain potential, and the reverse current 32 through the built-in diode will flow until the current 25 of the switching inductor 18, decreasing, is again equal to the increasing current 23 throttle 10. The switching processes of transistors of other cells 17, 18 ... (N + 1 + k) / 2 proceed similarly to those considered, which is reflected in the timing diagrams of currents 26, 27, 28, 30, 32, 34, 36 and voltages in figure 2.
Таким образом, к моменту включения транзисторов 6 и 9 каждой преобразовательной ячейки потенциалы 29, 31, 33 и 35 стока этих транзисторов спадают до нуля и сразу после включения через обратные встроенные диоды еще протекает отрицательный ток в направлении исток-сток, что приводит к тому, что в момент включения рассеиваемая на кристалле транзистора мощность равна нулю. В момент выключения транзисторов в предлагаемом преобразователе и в схеме прототипа динамическая мощность на транзисторах сравнима по порядку и находится на уровне статической рассеиваемой мощности.Thus, by the moment of turning on the transistors 6 and 9 of each converter cell, the drain potentials 29, 31, 33 and 35 drop to zero and immediately after switching on, negative current still flows through the built-in reverse diodes in the source-drain direction, which leads to that at the moment of switching on, the power dissipated on the transistor’s crystal is equal to zero. When the transistors are turned off in the proposed converter and in the prototype circuit, the dynamic power on the transistors is comparable in order and is at the level of static power dissipation.
Суммарный ток 23, 24, 26, 27 дросселей 7, 10 всех N/2 включенных преобразовательных ячеек представляет собой ток нагрузки 37, пульсации которого в 3N раз ниже пульсаций токов дросселей из-за того, что эти токи изменяются в противофазе. Аналогично, потребляемый от источника питания ток 38 представляет собой суммарный ток 23, 24, 26, 27 N транзисторов 6, 9 и определяют частоту и величину пульсаций тока входного конденсатора 1. Кроме того, коммутирующий дроссель переменного тока 16, определяет строго противофазное изменение переменной составляющей токов дросселей 7, 10 и строгое равенство постоянных составляющих, т.е. придает каждой, работающей в настоящий момент времени, ячейке 17, 18, …N/2 «естественные» свойства равномерного распределения этих токов.The total current 23, 24, 26, 27 of the inductors 7, 10 of all N / 2 switched-on cells is the load current 37, the ripple of which is 3N times lower than the ripple of the inductor currents due to the fact that these currents change in antiphase. Similarly, the current 38 consumed from the power source represents the total current 23, 24, 26, 27 N of the transistors 6, 9 and determines the frequency and magnitude of the ripple current of the input capacitor 1. In addition, the switching AC choke 16 determines a strictly antiphase change in the variable component inductor currents 7, 10 and strict equality of the constant components, i.e. gives each cell currently operating at time 17, 18, ... N / 2 the “natural” properties of the uniform distribution of these currents.
Многофазный преобразователь постоянного напряжения в постоянное по второму варианту работает аналогичным образом, так как функции диодов 8, 11 (фиг.1) выполняют транзисторы 39, 40 (фиг.3). Поскольку падение напряжения на открытом транзисторе ниже, чем у диода, дополнительно достигается снижение статических потерь. Наряду с этим, основной достигаемый эффект сводится к возможности задания фиксированного времени спада потенциалов сток-исток транзисторов в интервалах закрытого состояния пар транзисторов t1-t2, t3-t4, t5-t6 и т.д., работающих в противотакте.The multiphase DC to DC converter according to the second embodiment works in a similar way, since the functions of the diodes 8, 11 (Fig. 1) are performed by transistors 39, 40 (Fig. 3). Since the voltage drop across the open transistor is lower than that of the diode, a reduction in static losses is additionally achieved. Along with this, the main effect achieved is the possibility of setting a fixed time of the decay of the potentials of the drain-source transistors in the closed-state intervals of the pairs of transistors t 1 -t 2 , t 3 -t 4 , t 5 -t 6 , etc., working in counter-attack.
Таким образом, повышение коэффициента полезного действия достигается в предлагаемом преобразователе посредством снижения динамических потерь при включении транзисторов, практически до нуля, а также за счет снижения в 3N раз пульсаций тока и напряжения, следовательно, потерь во входном и выходном конденсаторах и частичного снижения статических потерь. При снижении нагрузки 37 ниже номинальной величины отключение многофазным ШИМ контроллером ячеек избыточной мощности сопровождается расширением зоны максимального значения коэффициента полезного действия в функции тока нагрузки.Thus, an increase in the efficiency is achieved in the proposed converter by reducing the dynamic losses when the transistors are turned on, practically to zero, and also by reducing the ripple of the current and voltage by 3N times, therefore, the losses in the input and output capacitors and a partial reduction in static losses. When load 37 decreases below the nominal value, disconnection of the excess power cells by the multiphase PWM controller is accompanied by the expansion of the zone of the maximum value of the efficiency in function of the load current.
Повышение надежности и увеличения времени безотказной работы многофазного преобразователя напряжения связано со следующими достигнутыми эффектами:Improving reliability and increasing uptime of a multiphase voltage converter is associated with the following effects:
1) снижение процессов деградации кристаллов транзисторов за счет исключения жесткой коммутации при переключении транзисторов, поскольку в момент включения напряжение на транзисторах 6, 9 равно нулю, а обратные диоды 8, 11 выключены токами коммутирующих дросселей 16 (по второму варианту транзисторы 39, 40 выключены запирающими напряжениями многофазного ШИМ контроллера);1) reducing the degradation processes of transistor crystals due to the elimination of hard switching when switching transistors, since at the moment of switching on the voltage on transistors 6, 9 is zero, and reverse diodes 8, 11 are turned off by the currents of switching chokes 16 (according to the second version, transistors 39, 40 are turned off by shutoff multi-phase PWM controller voltages);
2) равномерным износом N+1+k ячеек преобразователей понижающего типа за счет временной ротации N работающих ячеек, ячейки горячего резерва и k ячеек холодного резерва;2) the uniform wear of N + 1 + k cells of the converters of the lowering type due to the temporary rotation of N working cells, cells of the hot reserve and k cells of the cold reserve;
3) двукратным снижением элементов схемы управления, обеспечивающих равномерное деление токов между ячейками преобразователя, за счет придания парам преобразователей понижающего типа, содержащим коммутирующие дроссели, «естественных» свойств выравнивания токов между ними.3) a twofold reduction in the elements of the control circuit, ensuring a uniform division of the currents between the cells of the converter, due to giving the pairs of converters a step-down type containing switching inductors, "natural" properties of equalizing the currents between them.
Благодаря заявленным преимуществам из вышесказанного следует достижение указанного в описании технического результата.Owing to the declared advantages, the achievement of the technical result indicated in the description follows from the foregoing.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011136063/07U RU115980U1 (en) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | MULTI-PHASE VOLTAGE CONVERTER (OPTIONS) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011136063/07U RU115980U1 (en) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | MULTI-PHASE VOLTAGE CONVERTER (OPTIONS) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU115980U1 true RU115980U1 (en) | 2012-05-10 |
Family
ID=46312826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011136063/07U RU115980U1 (en) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | MULTI-PHASE VOLTAGE CONVERTER (OPTIONS) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU115980U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2724928C1 (en) * | 2019-05-24 | 2020-06-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" | Method to control rotation of power channels in main-module voltage converter with mixed redundancy |
-
2011
- 2011-08-29 RU RU2011136063/07U patent/RU115980U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2724928C1 (en) * | 2019-05-24 | 2020-06-26 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" | Method to control rotation of power channels in main-module voltage converter with mixed redundancy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ramadass et al. | A 0.16 mm 2 completely on-chip switched-capacitor DC-DC converter using digital capacitance modulation for LDO replacement in 45nm CMOS | |
| US9312767B2 (en) | Reconfigurable multiphase power stage for switched mode chargers | |
| Fu et al. | A novel single-switch cascaded DC-DC converter of boost and buck-boost converters | |
| US20150131330A1 (en) | Bidirectional dc-dc converter system and circuit thereof | |
| Lutz et al. | 12.4 A 10mW fully integrated 2-to-13V-input buck-boost SC converter with 81.5% peak efficiency | |
| US10903739B2 (en) | Capacitor cross coupled 2-phase buck converter | |
| US10263520B2 (en) | DC-DC power converters with step-up and/or step-down mode(s) | |
| Ghosh et al. | High gain DC-DC step-up converter with multilevel output voltage | |
| WO2011089483A1 (en) | Dc to dc power converter | |
| US11233452B2 (en) | Microgrid power supply system DC-DC converter and controlling method | |
| US20190190373A1 (en) | Multi Output Three Level Buck Converter | |
| Kondrath | An overview of bidirectional DC-DC converter topologies and control strategies for interfacing energy storage systems in microgrids | |
| Farooq et al. | A three-phase interleaved floating output boost converter | |
| Khan et al. | A high gain multi-port bidirectional non-isolated DC-DC converter for renewable integration | |
| KR20230004649A (en) | DC-DC converter assembly | |
| Ahsanuzzaman et al. | A low-volume power management module for portable applications based on a multi-output switched-capacitor circuit | |
| RU2676678C1 (en) | Energy conversion equipment for dc power supply systems | |
| RU115980U1 (en) | MULTI-PHASE VOLTAGE CONVERTER (OPTIONS) | |
| RU2464692C1 (en) | Voltage converter (versions) | |
| Tan et al. | Interleaved switched-capacitor converters with adaptive control | |
| Rao et al. | A comparative study of Bidirectional DC-DC converter & its interfacing with two battery storage system | |
| Roggia et al. | Comparison between full-bridge-forward converter and DAB converter | |
| RU158535U1 (en) | CONSTANT VOLTAGE CONVERTER TO CONSTANT | |
| Sudhakar et al. | Design of DC-DC converter for wind power application | |
| Wu et al. | A novel control method for light-loaded multiphase boost converter with voltage multiplier used as a front-end of a grid-connected fuel-cell generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20140830 |