RU124458U1 - POWER MODULE - Google Patents
POWER MODULE Download PDFInfo
- Publication number
- RU124458U1 RU124458U1 RU2012131859/07U RU2012131859U RU124458U1 RU 124458 U1 RU124458 U1 RU 124458U1 RU 2012131859/07 U RU2012131859/07 U RU 2012131859/07U RU 2012131859 U RU2012131859 U RU 2012131859U RU 124458 U1 RU124458 U1 RU 124458U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- key
- terminal
- current
- key node
- voltage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
1. Силовой модуль, содержащий два последовательно соединенных двунаправленных по току ключевых узла с прямой блокирующей способностью по напряжению и последовательно соединенные дроссель и первый и второй конденсаторы, причем один вывод первого ключевого узла подключен к первому силовому выводу модуля, другой вывод первого ключевого узла соединен с одним выводом второго ключевого узла и выводом дросселя, другой вывод второго ключевого узла подключен ко второму силовому выводу модуля, точка соединения первого и второго конденсаторов подключена к третьему силовому выводу модуля, другой вывод второго конденсатора соединен с одним из первого и второго силовых выводов модуля, отличающийся тем, что ключевые узлы силового модуля выполнены с обратной блокирующей способностью по напряжению.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что ключевой узел содержит первый и второй ключевые узлы и первый и второй диоды, анод первого диода и катод второго диода объединены и образуют один вывод ключевого узла, первый и второй диоды соединены последовательно с одними выводами одноименных ключей, другие выводы которых объединены и образуют другой вывод ключевого узла.3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что ключевой узел содержит первый и второй ключи, снабженные каждый одноименным встречно-параллельным диодом, аноды которых соединены, а катоды образуют одноименные выводы ключевого узла.4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что ключевой узел содержит мостовую схему из четырех диодов и ключ, включенный в диагональ мостовой схемы между точками соединения анодов и катодов соответствующих диодов, при этом точки соединения анода и катода д�1. A power module comprising two series-connected bi-directional current key nodes with a direct voltage blocking ability and series-connected inductor and first and second capacitors, with one terminal of the first key node connected to the first power terminal of the module, the other terminal of the first key node connected to one terminal of the second key node and the output of the throttle, another terminal of the second key node is connected to the second power terminal of the module, the connection point of the first and second capacitors It is connected to the third power terminal of the module, the other terminal of the second capacitor is connected to one of the first and second power terminals of the module, characterized in that the key nodes of the power module are made with reverse voltage blocking ability. 2. The module according to claim 1, characterized in that the key node contains the first and second key nodes and the first and second diodes, the anode of the first diode and the cathode of the second diode are combined and form one terminal of the key node, the first and second diodes are connected in series with one terminal of the same keys , the other conclusions of which are combined and form another conclusion of the key node. 3. The module according to claim 1, characterized in that the key node contains the first and second keys, each equipped with the same counter-parallel diode, the anodes of which are connected, and the cathodes form the same terminals of the key node. The module according to claim 1, characterized in that the key node contains a bridge circuit of four diodes and a key included in the diagonal of the bridge circuit between the connection points of the anodes and cathodes of the corresponding diodes, while the connection points of the anode and cathode are
Description
Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использована в схемах автономных инверторов тока и активных выпрямителях тока.The utility model relates to power electronics, in particular, to converters with reduced dynamic losses in power semiconductor switches and can be used in circuits of autonomous current inverters and active rectifiers.
Известна схема преобразователя, в которой обеспечивается мягкое выключение основных ключевых узлов при нулевом токе с помощью двух дополнительных ключевых узлов и последовательного LC контура (см. патент США №5486752, опубл. 23.01.1996).A known converter circuit in which soft shutdown of the main key nodes at zero current is provided using two additional key nodes and a sequential LC circuit (see US Pat. No. 5,486,752, publ. 23.01.1996).
Недостатком данного решения является то, что включение основных ключевых узлов остается жестким, что значительно увеличивает динамические потери в схеме.The disadvantage of this solution is that the inclusion of the main key nodes remains rigid, which significantly increases the dynamic losses in the circuit.
Наиболее близким по технической сути является силовой модуль (см. заявка РФ на изобретение №2011116247 от 26.04.2011, решение о выдаче патента от 12.12.2011), содержащий два последовательно соединенных двунаправленных по току ключевых узла с прямой блокирующей способностью по напряжению, и последовательно соединенные дроссель и первый и второй конденсаторы, причем один вывод первого ключевого узла подключен к первому силовому выводу модуля, другой вывод первого ключевого узла соединен с одним выводом второго ключевого узла и выводом дросселя, другой вывод второго ключевого узла подключен ко второму силовому выводу модуля, точка соединения первого и второго конденсаторов подключена к третьему силовому выводу модуля, другой вывод второго конденсатора соединен с одним из первого и второго силовых выводов модуля.The closest in technical essence is the power module (see RF application for invention No. 20111116247 dated 04/26/2011, decision on the grant of a patent dated 12/12/2011) containing two serially connected bidirectional key assemblies with direct voltage blocking ability, and in series connected throttle and first and second capacitors, with one terminal of the first key node connected to the first power terminal of the module, another terminal of the first key node connected to one terminal of the second key node and the terminal of the throttle, another the output of the second key node is connected to the second power output of the module, the connection point of the first and second capacitors is connected to the third power output of the module, the other output of the second capacitor is connected to one of the first and second power outputs of the module.
Данное решение обеспечивает мягкую коммутацию ключевых элементов в цепях постоянного и переменного тока широкого круга преобразователей, к которым относятся преобразователи постоянного напряжения, выпрямители напряжения и автономные инверторы напряжения. Однако двунаправленные ключевые узлы в силовом модуле ближайшего аналога не имеют обратной блокирующей способности по напряжению, что не позволяет использовать данное решение в цепи переменного тока автономных инверторов тока и активных выпрямителей тока.This solution provides soft switching of key elements in the DC and AC circuits of a wide range of converters, which include DC voltage converters, voltage rectifiers and autonomous voltage inverters. However, bidirectional key nodes in the power module of the closest analogue do not have a reverse voltage blocking ability, which does not allow this solution to be used in the AC circuit of autonomous current inverters and active rectifiers.
Технический результат устройства по настоящей полезной модели заключается в возможности проведения мягкой коммутации в цепях переменного тока преобразователей тока, когда напряжение на силовых выводах модуля меняет свою полярность.The technical result of the device according to this utility model is the possibility of soft switching in the AC circuits of current converters, when the voltage at the power terminals of the module changes its polarity.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в силовом модуле, содержащем два последовательно соединенных двунаправленных по току ключевых узла с прямой блокирующей способностью по напряжению, и последовательно соединенные дроссель и первый и второй конденсаторы, причем один вывод первого ключевого узла подключен к первому силовому выводу модуля, другой вывод первого ключевого узла соединен с одним выводом второго ключевого узла и выводом дросселя, другой вывод второго ключевого узла подключен ко второму силовому выводу модуля, точка соединения первого и второго конденсаторов подключена к третьему силовому выводу модуля, другой вывод второго конденсатора соединен с одним из первого и второго силовых выводов модуля, в соответствии с настоящей полезной моделью ключевые узлы силового модуля выполнены с обратной блокирующей способностью по напряжению.The specified technical result is achieved due to the fact that in the power module containing two series-connected bidirectional current key nodes with a direct voltage blocking ability, and series-connected inductor and first and second capacitors, and one terminal of the first key node is connected to the first power terminal of the module , the other terminal of the first key node is connected to one terminal of the second key node and the output of the throttle, the other terminal of the second key node is connected to the second power the output of the module, the connection point of the first and second capacitors is connected to the third power output of the module, the other output of the second capacitor is connected to one of the first and second power outputs of the module, in accordance with the present utility model, the key nodes of the power module are made with reverse voltage blocking ability.
Полезная модель иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The utility model is illustrated by the attached drawings, in which the same elements are denoted by the same reference positions.
На Фиг.1 представлен силовой модуль с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению.Figure 1 presents the power module with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage.
На Фиг.2 представлена схема ближайшего аналога.Figure 2 presents a diagram of the closest analogue.
На Фиг.3 представлены возможные варианты практической реализации двунаправленного по току ключевого узла с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению.Figure 3 presents possible options for the practical implementation of bidirectional current key node with forward and reverse blocking voltage.
На Фиг.4 представлен силовой модуль с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенный к базовой переключающей схеме преобразователя тока.Figure 4 presents the power module with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage, connected to the base switching circuit of the current Converter.
На Фиг.5 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне катодной группы ключевых узлов инвертора.Figure 5 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with direct and reverse voltage blocking ability, connected to an alternating current circuit in the current inverter on the cathode group side of the inverter key nodes.
На Фиг.6 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне анодной группы ключевых узлов инвертора.Figure 6 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capability, connected to an alternating current circuit in the current inverter on the side of the anode group of the inverter key nodes.
На Фиг.7 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне катодной группы ключевых узлов выпрямителя.Figure 7 presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse voltage blocking ability, connected to an alternating current circuit in the active rectifier on the side of the cathode group of the rectifier key nodes.
На Фиг.8 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне анодной группы ключевых узлов выпрямителя.On Fig presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage, connected to an alternating current circuit in the active rectifier on the side of the anode group of key rectifier nodes.
На Фиг.9 представлена осциллограмма мягкого переключения одного из основных ключевых узлов преобразователя тока при применении силового модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению по настоящей полезной модели.Figure 9 shows the waveform of the soft switching of one of the main key nodes of the current transducer when using a power module with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse voltage blocking ability according to the present utility model.
На Фиг.10 представлена осциллограмма мягкого переключения первого из двунаправленных по току ключевых узлов с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с мульти-резонансным контуром по настоящей полезной модели.Figure 10 presents the waveform of the soft switching of the first of the bidirectional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capacity as part of a power module with a multi-resonance circuit according to the present utility model.
На Фиг.11 представлена осциллограмма мягкого переключения второго из двунаправленных по току ключевых узлов с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с мульти-резонансным контуром по настоящей полезной модели.Figure 11 shows the waveform of soft switching of the second of the bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capacity as part of a power module with a multi-resonance circuit according to the present utility model.
На Фиг.12 представлена осциллограмма напряжения на одном из конденсаторов и осциллограмма тока в дросселе в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящей полезной модели.On Fig presents a waveform of the voltage on one of the capacitors and the waveform of the current in the inductor as part of a power module with a resonant LCC circuit according to the present utility model.
Силовой модуль (Фиг.1) содержит: первый двунаправленный по току ключевой узел 1 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, второй двунаправленный по току ключевой узел 2 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, дроссель 3, первый конденсатор 4 и второй конденсатор 5. На чертежах показаны также первый силовой вывод 6, второй силовой вывод 7 и третий силовой вывод 8.The power module (Figure 1) contains: a first bi-directional
Первый ключевой узел 1 и второй ключевой узел 2 соединены последовательно. Внешний вывод первого ключевого узла 1 подключен к первому силовому выводу 6, а внешний вывод второго ключевого узла 2 подключен ко второму силовому выводу 7. К точке соединения первого и второго ключевых узлов 1, 2 подключен первый вывод последовательного LC контура, образованного дросселем 3 и первым конденсатором 4, а второй вывод LC контура соединен с третьим силовым выводом 8. Первый вывод конденсатора 5 соединен с третьим силовым выводом 8, а второй вывод конденсатора 5 соединен с первым силовым выводом 6. Второй вывод конденсатора 5 может быть соединен также и со вторым силовым выводом 7.The
Рассмотрим работу силового модуля с мульти-резонансным контуром при его подключении к базовому контуру коммутации, к схеме которого сводятся процессы коммутации тока в инверторах тока и активных выпрямителях тока (Фиг.4). Данная схема содержит два однонаправленных ключа S1 и S2, источник J тока и знакопеременный источник Е напряжения.Consider the operation of a power module with a multi-resonant circuit when it is connected to the basic switching circuit, to the circuit of which the current switching processes in current inverters and active current rectifiers are reduced (Figure 4). This circuit contains two unidirectional switches S1 and S2, a current source J and an alternating voltage source E.
Вначале предположим, что полярность напряжения источника Е соответствует той, что показана на чертеже без скобок (Фиг.4).First, suppose that the polarity of the voltage of the source E corresponds to that shown in the drawing without brackets (Figure 4).
Предположим также, что ток источника J протекает в направлении от точки соединения основных ключей S1 и S2 преобразователя, при этом ключ S1 разомкнут, а ключ S2 замкнут.При выключенном основном ключе S1 ток J замыкается через основной ключ S2.Suppose also that the source current J flows from the connection point of the main keys S1 and S2 of the converter, while the key S1 is open and the key S2 is closed. When the main key S1 is turned off, the current J is closed through the main key S2.
Тогда выходная емкость основного ключа S1 заряжена до напряжения источника Е питания, а выходная емкость основного ключа S2 полностью разряжена. При этом конденсатор 5 также заряжен до напряжения источника Е питания с соответствующей полярностью.Then, the output capacitance of the main switch S1 is charged to the voltage of the power source E, and the output capacitance of the main switch S2 is completely discharged. In this case, the
Начальное напряжение на конденсаторе 4 будем считать равным U0+ с полярностью, показанной на схеме. Абсолютное значение напряжения U0+ будет определено ниже на одном из интервалов периода коммутации.The initial voltage across the
Представим основные интервалы мягкой коммутации тока J нагрузки от основного ключа S2 к основному ключу S1 и наоборот.Imagine the main intervals of soft switching of the load current J from the main switch S2 to the main switch S1 and vice versa.
Перед включением первого основного ключа S1 включается второй ключевой узел 2 силового модуля.Before turning on the first main key S1, the
1. Интервал перезаряда конденсатора 4 в последовательном LC контуре.1. The recharge interval of the
Через открытый второй ключевой узел 2 и открытый основной ключ S2 за счет колебательного процесса конденсатор 4 перезаряжается до начального напряжения U0+, но с обратной полярностью. Время перезаряда равно половине периода резонансной частоты LC контура:Through the open
где Lк - индуктивность дросселя 3; Cк - емкость конденсатора 4.where Lк is the inductance of the
2. Интервал коммутации второго основного ключа S2.2. The switching interval of the second primary key S2.
После перезаряда конденсатора 4 ток дросселя 3 начинает нарастать встречно току нагрузки второго основного ключа S2, и при достижении величины тока J данный ключ запирается при нулевом токе, при этом с него может быть снят сигнал управления. Длительность интервала коммутации Δt2 определяется уравнением:After the
где - волновое сопротивление последовательного LC контура.Where - wave impedance of the serial LC circuit.
В конце интервала коммутации напряжение на конденсаторе 4 становится равным величине U0, которое определяется уравнением:At the end of the switching interval, the voltage across the
3. Интервал резонансного разряда выходной емкости первого основного ключа S1.3. The interval of the resonant discharge of the output capacitance of the first main switch S1.
Выходная емкость Ст первого основного ключа S1 определяется емкостью Сx конденсатора 5, которая выбирается много больше, чем собственная выходная емкость первого основного ключа S1:The output capacitance St of the first main key S1 is determined by the capacitance Cx of the
После запирания второго основного ключа S2 в схеме образуется параллельный резонансный контур, в который входят источник J тока, конденсатор 5, а также дроссель 3 последовательного LC контура с последовательным эквивалентным источником напряжения:After locking the second main switch S2, a parallel resonant circuit is formed in the circuit, which includes the current source J,
где uCk(t) - напряжение на конденсаторе 4.where u Ck (t) is the voltage across the
При этом напряжение на первом основном ключе S1 будет изменяться в соответствии с уравнением:In this case, the voltage on the first primary key S1 will change in accordance with the equation:
где - круговая частота резонансного процесса перед включением первого основного ключа S1.Where - the circular frequency of the resonance process before turning on the first main key S1.
Напряжение на конденсаторе 4 в последовательном LC контуре при этом будет равно:The voltage on the
Из уравнения (6) следует условие, при котором в результате резонанса на первом основном ключе S1 реализуется нулевое напряжение:Equation (6) implies the condition under which, as a result of resonance, a zero voltage is realized on the first main key S1:
Таким образом, условие нулевого напряжения на первом основном ключе S1 определяется величиной напряжения U0 на конденсаторе 4 в последовательном LC контуре в момент коммутации второго ключа S2 при заданных параметрах электрического режима работы схемы (Е и J) и выбранных параметрах мульти-резонансного контура (Lк, Cк и Cx).Thus, the condition of zero voltage on the first main switch S1 is determined by the voltage U 0 on the
Длительность Δt3 интервала резонанса определим из уравнения (6) при uS1(t)=0:The duration Δt3 of the resonance interval is determined from equation (6) for u S1 (t) = 0:
После интервала Δt3 второй основной ключ S1 можно включить при нулевом напряжении подачей на него сигнала управления. При этом на втором основном ключе S2 реализуется отрицательное напряжение, по абсолютной величине равное напряжению Е.After the interval Δt3, the second main switch S1 can be turned on at zero voltage by applying a control signal to it. In this case, a negative voltage is realized on the second main key S2, equal in magnitude to the voltage E.
4. Интервал сброса энергии из резонансного дросселя 3.4. Interval for the discharge of energy from the
Напряжение на конденсаторе 4 в LC контуре после разряда выходной емкости первого основного ключа S1 становится равным:The voltage on the
Ток дросселя 3 в LC контуре после разряда выходной емкости первого основного ключа S1 становится равным:The current of the
где - волновое сопротивление мульти-резонансного контура при разряде выходной емкости первого основного ключа S1.Where - wave impedance of the multi-resonance circuit when discharging the output capacitance of the first main switch S1.
После отпирания первого основного ключа S1, последовательный LC контур через открытый второй ключевой узел 2 оказывается присоединенным к источнику питания схемы Е.After unlocking the first primary key S1, the serial LC circuit through the open second
Решая при этом уравнение колебательного процесса в LC контуре, для тока дросселя 3 получаем:Solving the equation of the oscillatory process in the LC circuit, for the inductor current 3 we get:
где β=arctg[(E-U*)/(ρkI*)].where β = arctan [(EU * ) / (ρ k I * )].
Интегрируя (12) по времени, для напряжения на конденсаторе 4 получаем:Integrating (12) over time, for the voltage across
Разность тока дросселя 3 и тока J протекает вначале через выходную емкость первого основного ключа S1, а затем через сам ключ S1.The difference between the current of the
Когда ток транзистора первого основного ключа S1 достигает величины тока J, ток дросселя 3 становится равным нулю.When the current of the transistor of the first main switch S1 reaches the current value J, the current of the
Приравнивая (12) к нулевому значению для интервала сброса энергии Δt4, получаем:Equating (12) to the zero value for the energy release interval Δt4, we obtain:
Напряжение на конденсаторе 4 в LC контуре при этом оказывается равным:The voltage on the
где U0-=uCk(Δt4).where U 0- = u Ck (Δt 4 ).
Напряжение на конденсаторе 4, равное U0- с полярностью, противоположной начальному напряжению U0+, далее может быть использовано для мягкого выключения первого основного ключа S1 при нулевом токе.The voltage across the
5. Интервал проводимости тока нагрузки через ключ S1.5. The interval of conductivity of the load current through the key S1.
Данный Δt5 интервал времени определяется длительностью открытого состояния первого основного ключа S1.This Δt5 time interval is determined by the duration of the open state of the first primary key S1.
6. Интервал резонансного выключения первого основного ключа S1 при нулевом токе.6. The interval of the resonant shutdown of the first main switch S1 at zero current.
Перед выключением первого основного ключа S1 подают сигнал управления на первый ключевой узел 1 силового модуля, и ток iLk(t) последовательного LC контура начинает нарастать встречно току J, проходящему через открытый первый основной ключ S1:Before turning off the first main switch S1, a control signal is supplied to the first
При этом напряжение на конденсаторе 4 в LC контуре будет изменяться по закону:In this case, the voltage across the
Поскольку первый основной ключ S1 находится в открытом состоянии, напряжение на конденсаторе 5 равно нулю. Тогда круговая частота резонансного процесса при выключении первого основного ключа S1 будет определяться частотой ωк последовательного LC контура, которая отличается от резонансной частоты ω0.Since the first main switch S1 is in the open state, the voltage across the
Таким образом, колебательные процессы в LCC контуре силового модуля, состоящем из дросселя 3, конденсатора 4 и конденсатора 5, носят мульти-резонансный характер, поскольку имеют различные резонансные частоты при включении и выключении основных ключей S1, S2 преобразователя тока.Thus, the oscillatory processes in the LCC circuit of the power module, consisting of a
Выключение первого основного ключа S1 при нулевом токе возможно только при выполнении условия:Switching off the first main switch S1 at zero current is possible only if the condition:
В момент равенства тока в дросселе 3 и тока J ток первого основного ключа S1 становится равным нулю, и с него может быть снят сигнал управления.At the moment of equal current in the
Длительность Δt6 интервала определяется из уравнения (16) для заданного тока J:The duration Δt6 of the interval is determined from equation (16) for a given current J:
В момент времени, когда ток в дросселе 3 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 4 вновь изменяет свою полярность и затем возрастает до величины U*. Данное напряжение определяется из уравнения (17) при подстановке в него интервала времени Δt6:At the time when the current in the
Величина напряжения U* зависит от тока нагрузки J. Но в любом случае напряжение U* будет ниже первоначального напряжения, равного U0+. Для обеспечения устойчивости циклов мягких переключений необходимо поднять уровень напряжения на конденсаторе 4 в LC контуре до начальной величины U0+. С этой целью после выключении первого основного ключа S1 первый ключевой узел 1 силового модуля оставляют в открытом состоянии.The magnitude of the voltage U * depends on the load current J. But in any case, the voltage U * will be lower than the initial voltage equal to U 0+ . To ensure the stability of the soft switching cycles, it is necessary to raise the voltage level on the
7. Интервал дозаряда конденсатора 4 до напряжения источника питания Е.7. The interval of the charge of the
Поскольку напряжение U* на конденсаторе 4 меньше напряжения питания Е, ток нагрузки не может протекать через канал проводимости второго основного ключа S2 из-за его однонаправленного характера, даже если на ключ S2 при этом подан импульс управления. Таким образом, единственный путь для замыкания тока J лежит через последовательный LC контур и открытый первый ключевой узел 1. При этом ток J будет практически линейно заряжать конденсатор 4:Since the voltage U * on the
Длительность интервала Δt7 дозаряда конденсатора 4 определяется из уравнения (21) при напряжении на данном конденсаторе, равном Е:The duration of the interval Δt7 of the charge of the
8. Интервал резонансного восстановления начального напряжения на конденсаторе в LC контуре.8. The interval of the resonant restoration of the initial voltage across the capacitor in the LC circuit.
Когда напряжение на конденсаторе 4 увеличивается до напряжения Е, открывается канал проводимости второго основного ключа S2. Через данный ключ S2 и ключевой узел 1 силового модуля последовательный LC контур подключается к источнику питания Е, и в контуре начинается еще один резонансный процесс с круговой частотой ωк. Ток в дросселе 3 и напряжение на конденсаторе 4 описываются при этом системой уравнений:When the voltage across the
Через четверть периода колебательного процесса ток дросселя 3 меняет свое направление.After a quarter period of the oscillatory process, the current of the
Еще через половину периода тока дросселя 3 вновь достигает нуля, при этом ключевой узел 1 может быть выключен при нулевом токе. Таким образом, полная длительность Δt8 интервала составляет три четверти от периода резонанса, равного :After another half of the current period of the
Подставляя Δt8 в уравнение (23) для напряжения на конденсаторе 4 в LC контуре в конце интервала получаем:Substituting Δt8 into equation (23) for the voltage across
Можно считать, что полный цикл одного периода коммутации завершен. И, начиная с напряжения U0+ на конденсаторе 4, можно начинать очередной такт.We can assume that the complete cycle of one switching period is completed. And, starting with the voltage U 0+ on the
Чем больше ток J, тем сложнее выполнить условия мягкого переключения основных ключей S1 и S2 преобразователя тока в соответствии с формулами (8) и (18). Поэтому выбор номиналов элементов мульти-резонансного контура, удовлетворяющих указанным условиям, следует проводить для максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока J ниже максимального условия мягкого переключения основных ключей S1 и S2 будут выполняться автоматически.The larger the current J, the more difficult it is to fulfill the conditions for soft switching of the main keys S1 and S2 of the current converter in accordance with formulas (8) and (18). Therefore, the selection of the values of the elements of the multi-resonance circuit that satisfy the specified conditions should be carried out for maximum load current. For all other current values J below the maximum soft switch condition, the main switches S1 and S2 will be executed automatically.
Динамические процессы в первом и втором ключевых узлах 1 и 2 рассматриваемого силового модуля также носят мягкий характер, и коммутация в них протекает при нулевом токе за счет плавного изменения тока в колебательном LC контуре.The dynamic processes in the first and second
В процессе работы инверторов тока и активных выпрямителей тока источник напряжения Е, входящий в контур коммутации, меняет свою полярность. С изменением полярности на источнике напряжения изменяются начальные условия в схеме. Теперь в начальный момент времени ток нагрузки будет замыкаться через открытый основной ключ S1, и следует рассматривать коммутацию тока J с ключа S1 на ключ S2. Выходная емкость основного ключа S2 в начальный момент времени будет заряжена до напряжения источника Е с полярностью, соответствующей полярности напряжения в скобках (Фиг.4).In the process of operation of current inverters and active rectifiers, the voltage source E, which enters the switching circuit, changes its polarity. With a change in polarity at the voltage source, the initial conditions in the circuit change. Now, at the initial moment of time, the load current will be closed through the open main switch S1, and switching of the current J from switch S1 to switch S2 should be considered. The output capacity of the main switch S2 at the initial time will be charged to the voltage of the source E with a polarity corresponding to the voltage polarity in brackets (Figure 4).
Поскольку вспомогательные ключевые узлы 1 и 2 силового модуля являются двунаправленными по току и обладают прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, все процессы коммутации тока между ключами S1 и S2 будут иметь те же основные интервалы, что и в рассмотренном варианте. Теперь перед включением основного ключа S2 надо включить первый ключевой узел 1 силового модуля. При этом обеспечиваются условия отпирания ключа S2 при нулевом напряжении. Затем, после интервала проводимости ключа S2, происходит его запирание при нулевом токе за счет отпирания второго ключевого узла 2 силового модуля.Since the auxiliary
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов основных ключей, которые находят применение в преобразователях тока (GTO и IGCT тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором - IGBT и IEGT).The principle of operation of the device and the criteria for soft switching do not change with the use of various types of key switches that are used in current converters (GTO and IGCT thyristors, IGBT and IEGT thyristors with insulated gate).
На Фиг.3 показаны возможные варианты схемной реализации двунаправленных по току ключевых узлов 1 и 2 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с мульти-резонансным контуром.Figure 3 shows possible variants of the circuit implementation of bidirectional current
Далее рассмотрим примеры конкретного применения предложенного устройства.Next, we consider examples of specific applications of the proposed device.
На Фиг.5 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне катодной группы ключей инвертора.Figure 5 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with direct and reverse voltage blocking ability, connected to the AC circuit in the current inverter on the side of the cathode group of keys of the inverter.
На Фиг.6 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне анодной группы ключей инвертора.Figure 6 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with direct and reverse voltage blocking ability, connected to an alternating current circuit in the current inverter on the side of the anode group of inverter keys.
На Фиг.7 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне катодной группы ключей выпрямителя.Figure 7 presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capability, connected to an alternating current circuit in the active rectifier on the side of the cathode group of rectifier keys.
На Фиг.8 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне анодной группы ключей выпрямителя.On Fig presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage, connected to the AC circuit in the active rectifier on the side of the anode group of rectifier keys.
Мягкая коммутация в данных преобразователях тока (Фиг.5-8) заключается в том, что первый и второй силовые выводы каждого из модулей присоединяются к выводам соответствующих конденсаторов, подключенных между точками фаз в цепи переменного тока преобразователей тока, и являющихся источниками знакопеременного напряжения. При этом третий силовой вывод модуля подключается к точке соединения «катодов» или «анодов» основных ключей преобразователей, причем данная точка является также полюсом источника тока нагрузки, роль которого выполняет входной ток инвертора или выходной ток выпрямителя тока.Soft switching in these current converters (Figure 5-8) consists in the fact that the first and second power terminals of each of the modules are connected to the terminals of the respective capacitors connected between the phase points in the alternating current circuit of the current converters, which are sources of alternating voltage. In this case, the third power output of the module is connected to the connection point of the “cathodes” or “anodes” of the main keys of the converters, and this point is also the pole of the load current source, the role of which is played by the input current of the inverter or the output current of the current rectifier.
Рассмотрим пример конкретного исполнения устройства по настоящей полезной модели.Consider an example of a specific implementation of the device according to this utility model.
Предложенное устройство было исполнено для трехфазного инвертора тока, процессы коммутации в котором рассчитаны с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice.The proposed device was designed for a three-phase current inverter, the switching processes in which are calculated using the circuit simulation program PSpice.
Напряжение источника питания E=500 В.Power supply voltage E = 500 V.
Ток нагрузки J=40 А.Load current J = 40 A.
Основные ключи S1 и S2 инвертора тока - запираемые тиристоры GTO, класс напряжения 1200 В, средний ток анода 100 А, напряжение насыщения 1,2 В, выходная емкость 0,5 нФ.The main keys of the current inverter are lockable thyristors GTO, voltage class 1200 V, average anode current 100 A, saturation voltage 1.2 V, output capacitance 0.5 nF.
Первый и второй ключевые узлы 1 и 2 силового модуля с мульти-резонансным контуром являются двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, выполненными по схеме диодного моста с транзисторным ключом в его диагонали (Фиг.3). Диоды импульсного типа, класс напряжения 1200 В, средний ток 60 А, импульсный ток 500 А, напряжение в открытом состоянии 1,75 В, время восстановления 40 нс. Транзистор типа NPT-IGBT, класс напряжения 1200 В, средний ток коллектора 50 А, импульсный ток коллектора 400 А, напряжение насыщения 2,0 В, выходная емкость 0,2 нФ.The first and second
Дроссель 3 - индуктивность 2,0 мкГн.Choke 3 - inductance 2.0 μH.
Конденсатор 4 - емкость 0,15 мкФ, напряжение 1000 В.Capacitor 4 - capacitance 0.15 μF, voltage 1000 V.
Конденсатор 5 - емкость 4,7 нФ, напряжение 1000 В.Capacitor 5 - 4.7 nF capacitance, voltage 1000 V.
На Фиг.9 представлена осциллограмма мягкого переключения одного из основных ключей преобразователя тока при применении силового модуля с резонансным LCC контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению по настоящей полезной модели. Основной ключ инвертора тока включается при нулевом напряжении и выключается при нулевом токе.Figure 9 shows the waveform of the soft switching of one of the main keys of the current transducer when applying a power module with a resonant LCC circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse voltage blocking ability according to the present utility model. The main key of the current inverter turns on at zero voltage and turns off at zero current.
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключе S1Channel 1: S1 Key Voltage
(напряжение на конденсаторе 5); 400 В/дел.(voltage across capacitor 5); 400 V / div
Канал 2: ток ключа S1; 50 А/дел.Channel 2: key current S1; 50 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
На Фиг.10 представлена осциллограмма мягкого переключения двунаправленного по току первого ключевого узла 1 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящей полезной модели. Данный первый ключевой узел 1 включается и выключается при нулевом токе.Figure 10 shows the waveform of the soft switching bidirectional current of the first
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключевом узле 1; 400 В/дел.Channel 1: voltage at
Канал 2: ток ключевого узла 1; 50 А/дел.Channel 2: current of
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
На Фиг.11 представлена осциллограмма мягкого переключения двунаправленного по току второго ключевого узла 2 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящей полезной модели. Данный второй ключевой узел 2 включается и выключается при нулевом токе.Figure 11 shows the waveform of the soft switching bidirectional current of the second
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключевом узле 2; 400 В/дел.Channel 1: voltage at
Канал 2: ток ключевого узла 2; 50 А/дел.Channel 2: current of
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
На Фиг.12 представлена осциллограмма напряжения на конденсаторе 4 и осциллограмма тока в дросселе 3 в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящей полезной модели. Конденсатор 4 восстанавливает начальное напряжение к очередному такту коммутации. Ток дросселя 3 определяет мягкую коммутацию первого и второго ключевых узлов 1 и 2 силового модуля при нулевом токе.On Fig presents the waveform of the voltage across the
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на конденсаторе 4; 400 В/дел.Channel 1: voltage across
Канал 2: ток дросселя 3; 50 А/дел.Channel 2: inductor current 3; 50 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131859/07U RU124458U1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | POWER MODULE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131859/07U RU124458U1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | POWER MODULE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU124458U1 true RU124458U1 (en) | 2013-01-20 |
Family
ID=48808008
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012131859/07U RU124458U1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | POWER MODULE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU124458U1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2586567C1 (en) * | 2015-02-19 | 2016-06-10 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Key voltage converter |
RU2636415C1 (en) * | 2013-11-18 | 2017-11-23 | Бсх Хаусгерете Гмбх | Device with power circuit module for electrical voltage supply for electrical load of household device, household device and method of manufacture of such device |
-
2012
- 2012-07-25 RU RU2012131859/07U patent/RU124458U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2636415C1 (en) * | 2013-11-18 | 2017-11-23 | Бсх Хаусгерете Гмбх | Device with power circuit module for electrical voltage supply for electrical load of household device, household device and method of manufacture of such device |
RU2586567C1 (en) * | 2015-02-19 | 2016-06-10 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Key voltage converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220190714A1 (en) | Switched-Capacitor Power Conversion System and Control Method | |
Gao et al. | Diode-assisted buck–boost voltage-source inverters | |
Chen et al. | Three-port flyback-type single-phase micro-inverter with active power decoupling circuit | |
CN103546057A (en) | High-voltage large-power repetition pulse power supply | |
Kim et al. | High-efficiency bidirectional soft switching DC-DC converter | |
US20050180176A1 (en) | Welding set with quasi-resonant soft-switching inverter | |
RU124458U1 (en) | POWER MODULE | |
RU2457600C1 (en) | Power module with multi-resonance circuit (versions) | |
RU2503118C1 (en) | Power module | |
Amirabadi | Analog control of AC link universal power converters: The key to very high frequency AC link conversion systems | |
RU2490776C1 (en) | Resonance commutator switch (versions) | |
Moosavi et al. | A low-cost soft-switching high step-up flyback converter with stacked output cells | |
RU169427U1 (en) | Magnetically coupled resonance key | |
RU94780U1 (en) | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING | |
Zhao et al. | Active clamp boost converter with switched capacitor and coupled inductor | |
RU96708U1 (en) | THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION | |
RU2601437C1 (en) | Charging device of capacitive energy storage | |
Mary et al. | Design of new bi-directional three phase parallel resonant high frequency AC link converter | |
RU227090U1 (en) | Soft Switching Voltage Inverter | |
RU165073U1 (en) | VOLTAGE INVERTER WITH RESONANT CIRCUIT | |
RU212998U1 (en) | RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE | |
Narimani et al. | A comparative study of three-level DC-DC converters | |
CN106787824B (en) | Sub-module circuit, control method and modularized multi-level converter | |
RU124464U1 (en) | RESONANT SWITCH (OPTIONS) | |
RU2516451C2 (en) | Resonance switch (versions) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20140726 |