RU212998U1 - RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE - Google Patents

RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE Download PDF

Info

Publication number
RU212998U1
RU212998U1 RU2022115529U RU2022115529U RU212998U1 RU 212998 U1 RU212998 U1 RU 212998U1 RU 2022115529 U RU2022115529 U RU 2022115529U RU 2022115529 U RU2022115529 U RU 2022115529U RU 212998 U1 RU212998 U1 RU 212998U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonant
main
diode
additional
winding
Prior art date
Application number
RU2022115529U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Павлович Воронин
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ"
Application granted granted Critical
Publication of RU212998U1 publication Critical patent/RU212998U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах. Технический результат заключается в повышении эффективности работы резонансного ключа путем уменьшения статических потерь мощности. Технический результат достигается тем, что резонансный ключ содержит первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составных диодов, вспомогательный ключ, дополнительный диод, резонансный конденсатор, основную и дополнительную магнитно-связанные обмотки резонансного дросселя, причем количество витков основной обмотки резонансного дросселя не менее чем в два раза больше количества витков его дополнительной обмотки. 2 ил.The utility model relates to converters with reduced power losses in power semiconductor switches. The technical result consists in increasing the efficiency of the resonant key by reducing static power losses. The technical result is achieved by the fact that the resonant switch contains the first, second and third power outputs, the main switch with an anti-parallel diode, an antiphase diode made in the form of a series connection of the first and second composite diodes, an auxiliary switch, an additional diode, a resonant capacitor, the main and additional magnetically coupled windings of the resonant choke, and the number of turns of the main winding of the resonant choke is at least twice the number of turns of its additional winding. 2 ill.

Description

Предложение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано в схемах автономных инверторов и импульсных регуляторов.The proposal relates to power electronics, in particular to converters with reduced power losses in power semiconductor switches and can be used in circuits of autonomous inverters and switching regulators.

Известна схема резонансного ключа с магнитно-связанным дросселем, обеспечивающая снижение энергии динамических потерь (RU 84170 U1, 27.06.2009, МПК - Н02М 1/06).A resonant key circuit with a magnetically coupled inductor is known, which reduces the energy of dynamic losses (RU 84170 U1, 27.06.2009, IPC - H02M 1/06).

Недостатком данного решения являются относительно большие значения емкостей резонансных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам схемы.The disadvantage of this solution is the relatively large values of the capacitances of the resonant capacitors connected in parallel to the main switches of the circuit.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является резонансный ключ (RU 169427 U1, 16.03.2017, МПК - Н03Н 1/00), содержащий первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составных диодов, вспомогательный ключ, дополнительный диод, резонансный конденсатор, основную и дополнительную магнитно-связанные обмотки резонансного дросселя, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, катод противофазного диода подключен к первому силовому выводу, вывод основного ключа, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу, при этом конец дополнительной обмотки резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором, начало дополнительной обмотки резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода, анод которого подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом, а точка соединения основной и дополнительной обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого и второго составных диодов.The closest in technical essence to the claimed solution is a resonant key (RU 169427 U1, 03/16/2017, IPC - H03N 1/00), containing the first, second and third power outputs, the main key with an anti-parallel diode, an anti-phase diode, made in in the form of a serial connection of the first and second composite diodes, an auxiliary switch, an additional diode, a resonant capacitor, the main and additional magnetically coupled windings of the resonant inductor, while the main switch and the anti-phase diode are connected in series, the cathode of the anti-phase diode is connected to the first power output, the output of the main switch connected to the anode of its anti-parallel diode is connected to the second power terminal, and the connection point of the main switch with the anti-phase diode is connected to the third power terminal, the resonant capacitor, the main winding of the resonant inductor and the auxiliary switch form a series connection circuit, which is connected in parallel to the main switch chu, while the end of the additional winding of the resonant choke is connected to the beginning of the main winding of the resonant choke connected to the resonant capacitor, the beginning of the additional winding of the resonant choke is connected to the cathode of the additional diode, the anode of which is connected to the connection point of the main switch with the antiphase diode, and the connection point of the main and additional winding of the resonant choke is connected to the connection point of the first and second composite diodes.

В данном решении обеспечивается включение основного ключа при нулевом напряжении и его выключение при нулевом токе, что позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь. Однако данное устройство обладает следующими недостатками. С целью минимизации потерь энергии в резонансной цепи необходимо, чтобы в каждом цикле коммутации амплитуда тока, формируемая в дополнительной обмотке резонансного дросселя, равнялась удвоенному значению тока нагрузки. В схеме прототипа количество витков основной обмотки резонансного дросселя равно количеству витков его дополнительной обмотки, и для формирования требуемой амплитуды тока в резонансном дросселе применяется дополнительный резонансный конденсатор относительно большой емкости, подключенный параллельно к основному ключу, что увеличивает количество внешних элементов устройства. Емкость дополнительного конденсатора выбирается с учетом максимально возможного значения тока нагрузки, что приводит к избыточной энергии, циркулирующей в резонансной цепи при переменном токе нагрузки. Это сопровождается дополнительными статическими потерями мощности, как в самой резонансной цепи, так и во встречно параллельном диоде основного ключа.This solution ensures that the main switch is switched on at zero voltage and switched off at zero current, which makes it possible to effectively reduce the energy of dynamic losses. However, this device has the following disadvantages. In order to minimize energy losses in the resonant circuit, it is necessary that in each switching cycle the current amplitude generated in the additional winding of the resonant inductor be equal to twice the load current. In the prototype circuit, the number of turns of the main winding of the resonant inductor is equal to the number of turns of its additional winding, and to form the required current amplitude in the resonant inductor, an additional resonant capacitor of a relatively large capacity is used, connected in parallel to the main switch, which increases the number of external elements of the device. The capacity of the additional capacitor is selected taking into account the maximum possible value of the load current, which leads to excess energy circulating in the resonant circuit with an alternating load current. This is accompanied by additional static power losses, both in the resonant circuit itself and in the anti-parallel diode of the main switch.

Технической задачей предлагаемого решения является снижение количества применяемых внешних элементов и статических потерь мощности в резонансном ключе.The technical task of the proposed solution is to reduce the number of external elements used and static power losses in the resonant key.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в реализации необходимой амплитуды тока в магнитно-связанных обмотках резонансного дросселя за счет выбора соответствующего соотношения между их витками.The technical result of the proposed device is to implement the required current amplitude in the magnetically coupled windings of the resonant inductor by choosing the appropriate ratio between their turns.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что резонансный ключ содержит первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составных диодов, вспомогательный ключ, дополнительный диод, резонансный конденсатор, основную и дополнительную магнитно-связанные обмотки резонансного дросселя, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, катод противофазного диода подключен к первому силовому выводу, вывод основного ключа, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу, при этом конец дополнительной обмотки резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором, начало дополнительной обмотки резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода, анод которого подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом, а точка соединения основной и дополнительной обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого и второго составных диодов, причем количество витков основной обмотки резонансного дросселя не менее чем в два раза больше количества витков его дополнительной обмотки.This technical result is achieved due to the fact that the resonant key contains the first, second and third power outputs, the main key with an anti-parallel diode, an antiphase diode made in the form of a series connection of the first and second composite diodes, an auxiliary switch, an additional diode, a resonant capacitor, the main and additional magnetically coupled windings of the resonant inductor, while the main switch and the anti-phase diode are connected in series, the cathode of the anti-phase diode is connected to the first power output, the output of the main switch connected to the anode of its anti-parallel diode is connected to the second power output, and the connection point the main switch with an antiphase diode is connected to the third power output, the resonant capacitor, the main winding of the resonant inductor and the auxiliary switch form a series connection circuit, which is connected in parallel to the main switch, while the end of the additional winding is resonant th choke is connected to the beginning of the main winding of the resonant choke connected to the resonant capacitor, the beginning of the additional winding of the resonant choke is connected to the cathode of the additional diode, the anode of which is connected to the connection point of the main switch with the antiphase diode, and the connection point of the main and additional windings of the resonant choke is connected to the point connection of the first and second composite diodes, and the number of turns of the main winding of the resonant inductor is not less than twice the number of turns of its additional winding.

Сущность предложенного решения и его технический результат поясняются соответствующими чертежами.The essence of the proposed solution and its technical result are illustrated by the corresponding drawings.

На фиг. 1 представлен резонансный ключ с магнитно-связанным дросселем.In FIG. 1 shows a resonant key with a magnetically coupled choke.

На фиг. 2 представлена схема повышающего регулятора постоянного напряжения на резонансном ключе с магнитно-связанным дросселем.In FIG. 2 shows a diagram of a DC boost regulator based on a resonant key with a magnetically coupled choke.

Резонансный ключ с магнитно-связанным дросселем (фиг. 1) содержит первый 1, второй 2 и третий 3 силовые выводы, основной ключ 4 со встречно-параллельным диодом, противофазный диод 5, выполненный в виде последовательного соединения первого 6 и второго 7 составных диодов, вспомогательный ключ 8, дополнительный диод 9, резонансный конденсатор 10, основную 11 и дополнительную 12 магнитно-связанные обмотки резонансного дросселя. Основной ключ 4 и противофазный диод 5 соединены последовательно, катод противофазного диода 4 подключен к первому силовому выводу 1, вывод основного ключа 4, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода подключен ко второму силовому выводу 2, а точка соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5 подключена к третьему силовому выводу 3. Резонансный конденсатор 10, основная обмотка 11 резонансного дросселя и вспомогательный ключ 8 образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу 4, при этом конец дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки 11 резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором 10, начало дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода 9, анод которого подключен к точке соединения основного ключа 4 с противофазным диодом 5. Точка соединения основной 11 и дополнительной 12 обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого 6 и второго 7 составных диодов. Количество витков основной обмотки 11 резонансного дросселя в два раза больше количества витков 12 его дополнительной обмотки.The resonant key with a magnetically coupled inductor (Fig. 1) contains the first 1, the second 2 and the third 3 power outputs, the main key 4 with an anti-parallel diode, the anti-phase diode 5, made in the form of a series connection of the first 6 and second 7 composite diodes, auxiliary key 8, additional diode 9, resonant capacitor 10, main 11 and additional 12 magnetically coupled windings of the resonant inductor. The main switch 4 and the anti-phase diode 5 are connected in series, the cathode of the anti-phase diode 4 is connected to the first power output 1, the output of the main switch 4 connected to the anode of its anti-parallel diode is connected to the second power output 2, and the connection point of the main switch 4 with the anti-phase diode 5 is connected to the third power output 3. The resonant capacitor 10, the main winding 11 of the resonant inductor and the auxiliary switch 8 form a serial connection circuit, which is connected in parallel to the main key 4, while the end of the additional winding 12 of the resonant inductor is connected to the beginning of the main winding 11 of the resonant inductor connected to the resonant capacitor 10, the beginning of the additional winding 12 of the resonant inductor is connected to the cathode of the additional diode 9, the anode of which is connected to the connection point of the main key 4 with the antiphase diode 5. The connection point of the main 11 and additional 12 windings of the resonant inductor is connected to the point connections of the first 6 and second 7 composite diodes. The number of turns of the main winding 11 of the resonant inductor is twice the number of turns 12 of its additional winding.

Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере схемы повышающего регулятора постоянного напряжения фиг. 2, в котором применяется резонансный ключ с магнитно-связанным дросселем в соответствии с фиг. 1.Let us consider the operation of the proposed device using the example of the DC voltage boost regulator circuit of Fig. 2, which uses a resonant key with a magnetically coupled choke according to FIG. one.

Пусть в начальный момент времени основной ключ 4 и вспомогательный ключ 8 разомкнуты. Тогда ток дросселя входного фильтра Lф, обозначенный как ток IВХ, протекает от входного источника Е по цепи открытых составных диодов 6 и 7 противофазного диода 5 в цепь конденсатора выходного фильтра Сф, заряженного до постоянного напряжения UВЫХ, и нагрузки Rн. Поскольку составной диод 7 открыт, начальное напряжение на резонансном конденсаторе 10 равно нулю. При разомкнутом вспомогательном ключе 8 начальное значение тока в обмотках 11 и 12 резонансного дросселя равно нулю.Let the main switch 4 and the auxiliary switch 8 be open at the initial moment of time. Then the input filter inductor current Lf, designated as current I IN , flows from the input source E through the circuit of open composite diodes 6 and 7 of the antiphase diode 5 into the circuit of the output filter capacitor Cf, charged to a constant voltage U OUT , and the load Rн. Since the composite diode 7 is open, the initial voltage across the resonant capacitor 10 is zero. When the auxiliary key 8 is open, the initial value of the current in the windings 11 and 12 of the resonant inductor is zero.

В начале цикла коммутаций происходит отпирание вспомогательного ключа 8.At the beginning of the switching cycle, the auxiliary key 8 is unlocked.

1. Интервал линейного нарастания тока в основной обмотке 11 резонансного дросселя.1. The interval of the linear increase of the current in the main winding 11 of the resonant inductor.

При подаче сигнала управления на вспомогательный ключ 8 через открытый составной диод 6 к основной обмотке 11 резонансного дросселя подключается напряжение UВЫХ, вызывая линейное нарастание тока в нем и, соответственно, во вспомогательном ключе 8, обеспечивая тем самым мягкое отпирание вспомогательного ключа 8 при нулевом токе:When a control signal is applied to the auxiliary key 8 through an open composite diode 6, voltage U OUT is connected to the main winding 11 of the resonant inductor, causing a linear increase in current in it and, accordingly, in the auxiliary key 8, thereby ensuring soft unlocking of the auxiliary key 8 at zero current :

Figure 00000001
Figure 00000001

где L11 - индуктивность основной обмотки 11 резонансного дросселя; I11 - ток в основной обмотке 11 резонансного дросселя; I8 - ток вспомогательного ключа 8.where L 11 - the inductance of the main winding 11 of the resonant inductor; I 11 - current in the main winding 11 of the resonant inductor; I 8 - current of the auxiliary key 8.

Через интервал времени Δt1 ток в основной обмотке 11 резонансного дросселя достигает значения тока IВХ, и составной диод 6 запирается:After a time interval Δt1, the current in the main winding 11 of the resonant inductor reaches the value of the current I BX , and the composite diode 6 is locked:

Figure 00000002
Figure 00000002

2. Интервал включения основного ключа 4 при нулевом напряжении.2. Switching interval of the main key 4 at zero voltage.

После запирания составного диода 6 в схеме начинается колебательный процесс разряда выходной емкости основного ключа 4 по цепи основной обмотки 11 резонансного дросселя и открытого вспомогательного ключа 8 через открытый составной диод 7. При этом ток в основной обмотке 11 резонансного дросселе будет увеличиваться, а напряжение в выходной цепи основного ключа 4 спадать:After the composite diode 6 is turned off, the circuit begins an oscillatory process of discharging the output capacitance of the main switch 4 through the circuit of the main winding 11 of the resonant inductor and the open auxiliary switch 8 through the open composite diode 7. In this case, the current in the main winding 11 of the resonant inductor will increase, and the voltage in the output main key chain 4 subside:

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- волновое сопротивление параллельного резонансного контура, образованного выходной емкостью С0 основного ключа 4 и основной обмоткой 11 резонансного дросселя;
Figure 00000005
- круговая частота параллельного резонанса; U4 - напряжение в выходной цепи основного ключа 4; С0 - выходная емкость основного ключа 4.where
Figure 00000004
- wave impedance of the parallel resonant circuit formed by the output capacitance C 0 of the main key 4 and the main winding 11 of the resonant inductor;
Figure 00000005
- circular frequency of parallel resonance; U 4 - voltage in the output circuit of the main key 4; C 0 - output capacity of the main key 4.

Через интервал времени Δt2 напряжения на основном ключе 4, спадает до нуля. При этом включается встречно-параллельный диод основного ключа 4, через который начинает замыкаться избыточный ток ΔI, накопленный в основной обмотке 11 резонансного дросселя при разряде собственной выходной емкости С0 основного ключа 4:After a time interval Δt2, the voltage on the main key 4 drops to zero. In this case, the anti-parallel diode of the main switch 4 is turned on, through which the excess current ΔI, accumulated in the main winding 11 of the resonant inductor, begins to close when the own output capacitance C 0 of the main switch 4 is discharged:

Figure 00000006
Figure 00000006

После разряда собственной выходной емкости С0, основной ключ 4 включается при нулевом напряжении.After discharging its own output capacitance C 0 , the main key 4 is turned on at zero voltage.

Отметим, что в течение всего интервала разряда выходной емкости С0 основного ключа 4, резонансный конденсатор 10 был зашунтирован открытым составным диодом 7, и напряжение на резонансном конденсаторе 10 поддерживалось на нулевом уровне.Note that during the entire interval of discharge of the output capacitance C 0 of the main switch 4, the resonant capacitor 10 was shunted by an open composite diode 7, and the voltage across the resonant capacitor 10 was maintained at zero level.

3. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе в переходном процессе включения основного ключа 4.3. Interval for resetting the energy accumulated in the resonant inductor in the transition process of turning on the main switch 4.

При выключении вспомогательного ключа 8, ток IВХ входного фильтра Lф переключается в основной ключ 4. При этом отпирается дополнительный диод 9, и за счет магнитной связи в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя, появляется начальный ток:When the auxiliary switch 8 is turned off, the current I BX of the input filter Lf switches to the main switch 4. This unlocks the additional diode 9, and due to magnetic coupling in the additional winding 12 of the resonant inductor, the initial current appears:

Figure 00000007
Figure 00000007

где кТР=w12/w11 - коэффициент трансформации между магнитно-связанными обмотками 11 и 12 резонансного дросселя; w11 - количество витков основной обмотки 11 резонансного дросселя; w12 - количество витков дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя.where to TP =w 12 /w 11 - transformation ratio between the magnetically coupled windings 11 and 12 of the resonant inductor; w 11 - the number of turns of the main winding 11 of the resonant inductor; w 12 - the number of turns of the additional winding 12 of the resonant inductor.

Между индуктивностью дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя и резонансным конденсатором 10 начинается колебательный процесс. Длительность процесса Δt3 определяется открытым состоянием дополнительного диода 9, при сохранении положительного направления тока через данный диод:Between the inductance of the additional winding 12 of the resonant inductor and the resonant capacitor 10, an oscillatory process begins. The duration of the process Δt 3 is determined by the open state of the additional diode 9, while maintaining the positive direction of the current through this diode:

Figure 00000008
Figure 00000008

где L12 - индуктивность дополнительной обмотки 12 резонансного дросселя; С10 - емкость резонансного конденсатора 10.where L 12 - the inductance of the additional winding 12 of the resonant inductor; C 10 - the capacitance of the resonant capacitor 10.

В конце интервала Δt3 энергия, запасенная в резонансном дросселе, переводится в резонансный конденсатор 10, и после запирания дополнительного диода 9 на данном конденсаторе устанавливается напряжение:At the end of the interval Δt 3 , the energy stored in the resonant inductor is transferred to the resonant capacitor 10, and after the additional diode 9 is turned off, the voltage is set on this capacitor:

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- волновое сопротивление последовательного резонансного контура, образованного резонансным конденсатором 10 и основной обмоткой 11 резонансного дросселя.where
Figure 00000010
- wave impedance of the series resonant circuit formed by the resonant capacitor 10 and the main winding 11 of the resonant inductor.

Отметим, что плавное нарастание напряжения на резонансном конденсаторе 10 при открытом основном ключе 4 обеспечивает выключение вспомогательного ключа 8 при нулевом напряжении.Note that a smooth increase in voltage across the resonant capacitor 10 with the main switch 4 open ensures that the auxiliary switch 8 is turned off at zero voltage.

4. Интервал проводимости основного ключа 4.4. Main key conduction interval 4.

В соответствии с заданным алгоритмом управления на основном ключе 4 поддерживается требуемый интервал проводимости, называемый длительностью импульса ΔtИ, при котором входной ток IВХ протекает по цепи основного ключа 4, а во входном фильтре Lф накапливается энергия от входного источника Е.In accordance with the given control algorithm, the main key 4 maintains the required conduction interval, called the pulse duration Δt And , at which the input current I BX flows through the main key 4 circuit, and the energy from the input source E is accumulated in the input filter Lf.

5. Интервал выключения основного ключа 4 при нулевом токе.5. Switching off interval of the main key 4 at zero current.

Данный интервал начинается при включении вспомогательного ключа 8 непосредственно перед окончанием длительности импульса ΔtИ.This interval begins when the auxiliary key 8 is turned on immediately before the end of the pulse duration Δt And .

Поскольку полярность начального напряжения на резонансном конденсаторе 10 поддерживает составной диод 7 в закрытом состоянии, между данным конденсатором 10 и основной обмоткой 11 резонансного дросселя начинается колебательный процесс, с круговой частотой последовательного резонанса

Figure 00000011
Since the polarity of the initial voltage on the resonant capacitor 10 maintains the composite diode 7 in the closed state, an oscillatory process begins between this capacitor 10 and the main winding 11 of the resonant inductor, with a circular frequency of series resonance
Figure 00000011

При этом в основном ключе 4 появляется дополнительный ток, направленный встречно по отношению к току входного фильтра IВХ:In this case, an additional current appears in the main key 4, directed opposite to the current of the input filter I I :

Figure 00000012
Figure 00000012

Плавное изменение тока в течение колебательного процесса обеспечивает включение вспомогательного ключа 8 в режиме нулевого тока.A smooth change in current during the oscillatory process ensures that the auxiliary key 8 is turned on in the zero current mode.

Через интервал времени Δt5 примерно равный четверти периода резонансной частоты ωр2 ток I4 снижается практически до нуля и основной ключ 4 выключается при нулевом токе. Напряжение на резонансном конденсаторе 10 снижается при этом до нуля.After a time interval Δt 5 approximately equal to a quarter of the period of the resonant frequency ω p2 , the current I 4 decreases almost to zero and the main switch 4 turns off at zero current. The voltage on the resonant capacitor 10 is reduced to zero.

6. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе в переходном процессе выключения основного ключа 4.6. Interval for resetting the energy accumulated in the resonant inductor during the transition process of turning off the main switch 4.

При выключении вспомогательного ключа 8 отпирается дополнительный диод 9, и за счет магнитной связи в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя вновь появляется начальный ток:When the auxiliary switch 8 is turned off, the additional diode 9 is unlocked, and due to the magnetic coupling, the initial current reappears in the additional winding 12 of the resonant inductor:

Figure 00000013
Figure 00000013

Между дополнительной обмоткой 12 резонансного дросселя и резонансным конденсатором 10 начинается колебательный процесс, при котором резонансный конденсатор 10 начинает заряжаться, а ток в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя начинает спадать.Between the additional winding 12 of the resonant inductor and the resonant capacitor 10, an oscillatory process begins, in which the resonant capacitor 10 begins to charge, and the current in the additional winding 12 of the resonant inductor begins to subside.

На этом же интервале ток IВХ входного фильтра Lф начинает заряжать собственную выходную емкость основного ключа 4.At the same interval, the current I I of the input filter Lf begins to charge its own output capacitance of the main switch 4.

Плавное нарастание напряжения на емкости резонансного конденсатора 8 обеспечивают выключение вспомогательного ключа 8 при нулевом напряжении.A smooth increase in voltage across the capacitance of the resonant capacitor 8 ensures that the auxiliary switch 8 is turned off at zero voltage.

Когда сумма напряжений в выходной цепи основного ключа 4 и резонансном конденсаторе 10 становится равной выходному напряжению UВЫХ, в противофазном диоде 5 открывается составной диод 6, и рассматриваемый интервал завершается. Длительность интервала определяют по формуле:When the sum of the voltages in the output circuit of the main switch 4 and the resonant capacitor 10 becomes equal to the output voltage U OUT , the composite diode 6 opens in the antiphase diode 5, and the considered interval ends. The duration of the interval is determined by the formula:

Figure 00000014
Figure 00000014

7. Интервал полного разряда резонансного конденсатора 10 и заряда выходной емкости основного ключа 4 до напряжения UВЫХ выходного фильтра Сф.7. The interval of full discharge of the resonant capacitor 10 and the charge of the output capacitance of the main switch 4 to the voltage U OUT of the output filter Cf.

После отпирания составного диода 6 входной ток IВХ фактически начинает протекать по параллельному соединению выходной емкости основного ключа 4 и емкости резонансного конденсатора 10. При этом выходная емкость основного ключа 4 продолжает заряжаться, а резонансный конденсатор 10 разряжается. После увеличения напряжения в выходной цепи основного ключа 4 до значения UВЫХ, резонансный конденсатор 10 полностью разряжается. При этом отпирается составной диод 7 и ток IВХ полностью переключается в противофазный диод 5, образованный двумя составными диодами 6 и 7.After unlocking the composite diode 6, the input current I BX actually begins to flow through the parallel connection of the output capacitance of the main switch 4 and the capacitance of the resonant capacitor 10. In this case, the output capacitance of the main switch 4 continues to charge, and the resonant capacitor 10 is discharged. After increasing the voltage in the output circuit of the main key 4 to the value U OUT , the resonant capacitor 10 is completely discharged. In this case, the composite diode 7 is unlocked and the current I BX is completely switched to the antiphase diode 5, formed by two composite diodes 6 and 7.

Длительность последнего интервала определяется по формуле:The duration of the last interval is determined by the formula:

Figure 00000015
Figure 00000015

Полный вывод энергии резонансной цепи в нагрузку происходит в том случае, если ток в дополнительной обмотке 12 резонансного дросселя на заключительном интервале коммутаций снижается до нуля. Значение тока в дополнительной обмотке 12 на данном интервале определяется соотношением:The complete output of the energy of the resonant circuit to the load occurs if the current in the additional winding 12 of the resonant inductor at the final switching interval is reduced to zero. The value of the current in the additional winding 12 in this interval is determined by the relation:

Figure 00000016
Figure 00000016

где

Figure 00000017
- круговая частота резонансного процесса между индуктивностью дополнительной обмотки 12 и емкостью конденсатора 10.where
Figure 00000017
- circular frequency of the resonant process between the inductance of the additional winding 12 and the capacitance of the capacitor 10.

Тогда, согласно формуле (12), критерием снижения тока в дополнительной обмотке 12 до нуля является условие, при котором его начальная амплитуда равна как минимум удвоенному значению тока нагрузки, в качестве которого выступает ток входного фильтра IВХ. Начальная амплитуда тока в дополнительной обмотке 12 определяется по формуле (9). Если считать, что избыточный ток ΔI, накопленный в основной обмотке 12 резонансного дросселя очень мал, что справедливо при относительно малой величине собственной выходной емкости основного ключа 4, то выполнение указанного критерия возможно только при условии, что количество витков основной обмотки резонансного дросселя в два раза больше количества витков его дополнительной обмотки:Then, according to formula (12), the criterion for reducing the current in the additional winding 12 to zero is the condition under which its initial amplitude is equal to at least twice the value of the load current, which is the input filter current I I . The initial amplitude of the current in the additional winding 12 is determined by formula (9). If we assume that the excess current ΔI accumulated in the main winding 12 of the resonant inductor is very small, which is true for a relatively small value of the intrinsic output capacitance of the main switch 4, then the fulfillment of this criterion is possible only if the number of turns of the main winding of the resonant inductor is twice more than the number of turns of its additional winding:

Figure 00000018
Figure 00000018

По завершении указанных интервалов работы все величины токов и напряжений на резонансном ключе с магнитно-связанным дросселем возвращаются к начальным значениям, и ключ готов к очередному циклу коммутаций.Upon completion of the specified operation intervals, all currents and voltages on the resonant key with a magnetically coupled inductor return to their initial values, and the key is ready for the next switching cycle.

Примеры конкретного применения предложенного устройства.Examples of specific application of the proposed device.

В качестве нижнего резонансного ключа устройство фиг 1. может быть использовано в повышающих регуляторах постоянного напряжения (фиг. 2).As a lower resonant key, the device of Fig. 1 can be used in DC boost regulators (Fig. 2).

В качестве верхнего резонансного ключа представленное устройство может быть использовано в понижающих регуляторах постоянного напряжения.As an upper resonant key, the presented device can be used in step-down DC voltage regulators.

В автономных инверторах напряжения при переменном синусоидальном токе нагрузки в каждой из фаз могут быть применены последовательно включенные верхний и нижний резонансный ключ в соответствие с предложенным решением.In autonomous voltage inverters with an alternating sinusoidal load current in each of the phases, upper and lower resonant switches connected in series can be used in accordance with the proposed solution.

Claims (1)

Резонансный ключ, характеризующийся тем, что содержит первый, второй и третий силовые выводы, основной ключ со встречно-параллельным диодом, противофазный диод, выполненный в виде последовательного соединения первого и второго составных диодов, вспомогательный ключ, дополнительный диод, резонансный конденсатор, основную и дополнительную магнитно-связанные обмотки резонансного дросселя, при этом основной ключ и противофазный диод соединены последовательно, катод противофазного диода подключен к первому силовому выводу, вывод основного ключа, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода, подключен ко второму силовому выводу, а точка соединения основного ключа с противофазным диодом подключена к третьему силовому выводу, резонансный конденсатор, основная обмотка резонансного дросселя и вспомогательный ключ образуют цепь последовательного соединения, которая параллельно подключена к основному ключу, при этом конец дополнительной обмотки резонансного дросселя подключен к началу основной обмотки резонансного дросселя, соединенной с резонансным конденсатором, начало дополнительной обмотки резонансного дросселя соединено с катодом дополнительного диода, анод которого подключен к точке соединения основного ключа с противофазным диодом, а точка соединения основной и дополнительной обмотки резонансного дросселя подключена к точке соединения первого и второго составных диодов, причем количество витков основной обмотки резонансного дросселя не менее чем в два раза больше количества витков его дополнительной обмотки.A resonant switch, characterized in that it contains the first, second and third power outputs, the main switch with an anti-parallel diode, an antiphase diode made in the form of a series connection of the first and second composite diodes, an auxiliary switch, an additional diode, a resonant capacitor, the main and additional magnetically coupled windings of a resonant inductor, wherein the main switch and the anti-phase diode are connected in series, the cathode of the anti-phase diode is connected to the first power terminal, the output of the main switch connected to the anode of its anti-parallel diode is connected to the second power output, and the connection point of the main switch with an anti-phase diode is connected to the third power output, the resonant capacitor, the main winding of the resonant inductor and the auxiliary switch form a series connection circuit, which is connected in parallel to the main switch, while the end of the additional winding of the resonant inductor is connected to the beginning of the main oval winding of the resonant choke connected to the resonant capacitor, the beginning of the additional winding of the resonant choke is connected to the cathode of the additional diode, the anode of which is connected to the junction point of the main key with the antiphase diode, and the junction point of the main and additional windings of the resonant choke is connected to the junction point of the first and second components diodes, and the number of turns of the main winding of the resonant inductor is at least twice the number of turns of its additional winding.
RU2022115529U 2022-06-08 RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE RU212998U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU212998U1 true RU212998U1 (en) 2022-08-17

Family

ID=

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4720667A (en) * 1986-06-20 1988-01-19 Lee Fred C Zero-current switching quasi-resonant converters operating in a full-wave mode
SU1649644A1 (en) * 1984-03-19 1991-05-15 Феб Электропроект Унд Анлагенбау Берлин (Инопредприятие) Bridge arm and semicontrollable electronic pair
RU84170U1 (en) * 2009-04-03 2009-06-27 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") SEMICONDUCTOR SOFT SWITCH
RU124455U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH
RU124465U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH (OPTIONS)
RU124466U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH (OPTIONS)
RU2490776C1 (en) * 2012-07-25 2013-08-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") Resonance commutator switch (versions)
RU2516450C2 (en) * 2012-07-25 2014-05-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") Resonance switch
RU169427U1 (en) * 2016-11-08 2017-03-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Magnetically coupled resonance key

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1649644A1 (en) * 1984-03-19 1991-05-15 Феб Электропроект Унд Анлагенбау Берлин (Инопредприятие) Bridge arm and semicontrollable electronic pair
US4720667A (en) * 1986-06-20 1988-01-19 Lee Fred C Zero-current switching quasi-resonant converters operating in a full-wave mode
RU84170U1 (en) * 2009-04-03 2009-06-27 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") SEMICONDUCTOR SOFT SWITCH
RU124455U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH
RU124465U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH (OPTIONS)
RU124466U1 (en) * 2012-07-25 2013-01-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") RESONANT SWITCH (OPTIONS)
RU2490776C1 (en) * 2012-07-25 2013-08-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") Resonance commutator switch (versions)
RU2516450C2 (en) * 2012-07-25 2014-05-20 Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") Resonance switch
RU169427U1 (en) * 2016-11-08 2017-03-16 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Magnetically coupled resonance key

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5159541A (en) Asymmetrical pulse width modulated resonant DC/DC converter
US7869237B1 (en) Phase-shifted bridge with auxiliary circuit to maintain zero-voltage-switching
Fujiwara et al. A novel lossless passive snubber for soft-switching boost-type converters
Belaguli et al. Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode. Analysis, design, simulation, and experimental results
WO2008047374A2 (en) Switched resonant-tank, cell based power converter
US20210126554A1 (en) Full-bridge inverter with unipolar switching scheme and its method of operation
Jackson et al. A capacitively-isolated dual extended LC-tank hybrid switched-capacitor converter
RU169427U1 (en) Magnetically coupled resonance key
RU2457600C1 (en) Power module with multi-resonance circuit (versions)
RU212998U1 (en) RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE
Koizumi et al. Resonant DC/DC converter with class DE inverter and class E rectifier using thinned-out method (deleting some of the pulses to the rectifier)
RU124458U1 (en) POWER MODULE
CN114244101A (en) Switched capacitor resonant DC converter
RU94780U1 (en) THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING
CN109194168B (en) Efficient rectifying circuit and control method thereof
RU96708U1 (en) THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION
RU227090U1 (en) Soft Switching Voltage Inverter
RU2711311C1 (en) Basic element of power module
Narimani et al. A comparative study of three-level DC-DC converters
Kulasekaran et al. A 500 kHz, 3.3 kW boost PFC with low loss coupled auxiliary ZVT circuit
Kodama et al. Input-parallel-output-series two-stage interleaved dc-dc converter using coupled inductors
RU211428U1 (en) RESONANT BRIDGE VOLTAGE CONVERTER
CN115085538B (en) Control circuit applied to resonant switch capacitance voltage converter
CN117713544B (en) Power converter, power converter control method, device and medium
Jovanovic et al. Zero-voltage-switched multiresonant converter for high-power, pulse-load applications