RU224082U1 - Резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям электрической энергии со сниженными коммутационными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах, и может быть использована в широтно-импульсных регуляторах постоянного напряжения. Технический результат предлагаемого устройства заключается в обеспечении автоматического возврата энергии резонансного дросселя в источник питания и нагрузку при «мягком» выключении вспомогательного ключа без коммутационных потерь мощности. В известном резонансном ключе с переключением при нулевом напряжении, содержащем основной ключ с положительным и отрицательным силовым выводом, резонансный конденсатор и дополнительную ветвь из последовательного соединения резонансного дросселя и вспомогательного ключа, параллельно подключенные к основному ключу, основной и вспомогательный ключ выполнены однонаправленными по току и двунаправленными по напряжению. 6 ил.

Description

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности, к преобразователям электрической энергии со сниженными коммутационными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах и может быть использована в широтно-импульсных регуляторах постоянного напряжения.

Известны схемы резонансных ключей с переключением при нулевом напряжении (M.L. Martins, J.L. Russi, H.L. Hey. A Classification Methodology for Zero-Voltage Transition PWM Converters // Revista Controle & Automação, Vol.16 no.1/Jan., Fev., e Março 2005), содержащие основной ключ, параллельно подключенные к основному ключу резонансный конденсатор и дополнительную ветвь из последовательного соединения резонансного дросселя, вспомогательного ключа и первичной обмотки импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого с последовательно соединенным диодом параллельно подключена к дополнительному источнику ЭДС.

Несмотря на то, что указанные технические решения обеспечивают эффективное снижение коммутационных потерь в основном ключе, основным недостатком данных технических решений является проблема вывода избыточной энергии, накопленной в резонансном дросселе в процессе коммутации, для поглощения которой требуется схемная реализация эквивалентного источника напряжения при существенном усложнении схемы резонансного ключа с большим количеством дополнительных компонентов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является резонансный ключ (публ. US № 5418704, публ. 23.05.1995, МПК H02M3/335), содержащий основной ключ с положительным и отрицательным силовым выводом, параллельно подключенные к основному ключу резонансный конденсатор и дополнительную ветвь из последовательного соединения резонансного дросселя и вспомогательного ключа. В данном решении обеспечивается включение и выключение основного ключа при нулевом напряжении, что позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь.

Однако данное устройство обладает следующими недостатками. Основной и вспомогательный ключ являются двунаправленными по току и однонаправленными по напряжению, поскольку оба содержат диоды, подключенные встречно параллельно к их каналам проводимости. При этом после разряда резонансного конденсатора, ток резонансного дросселя начинает свободно циркулировать по цепи встречно-параллельного диода основного ключа. Энергия, накопленная в резонансном дросселе, при этом, является как бы «захваченной», и для ее вывода в источник питания требуется дополнительный диод. Еще одним недостатком прототипа является режим «жесткого» выключения вспомогательного ключа, что сопровождается дополнительными коммутационными потерями мощности.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является исключение применения дополнительных компонентов, обеспечивающих возврат энергии резонансного дросселя в источник питания, и снижение суммарных коммутационных потерь мощности в резонансном ключе.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в обеспечении автоматического возврата энергии резонансного дросселя в источник питания и нагрузку при «мягком» выключении вспомогательного ключа при нулевом токе без коммутационных потерь мощности.

Это достигается тем, что в известном резонансном ключе с переключением при нулевом напряжении, содержащим основной ключ с положительным и отрицательным силовым выводом, резонансный конденсатор и дополнительную ветвь из последовательного соединения резонансного дросселя и вспомогательного ключа, параллельно подключенные к основному ключу, основной и вспомогательный ключ выполнены однонаправленными по току и двунаправленными по напряжению.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен предлагаемый резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении, на фиг. 2 изображена схема повышающего регулятора постоянного напряжения на резонансном ключе с переключением при нулевом напряжении, на фиг. 3 представлен резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении с однонаправленными по току и двунаправленными по напряжению основным и вспомогательным ключами на биполярных транзисторах с изолированным затвором, на фиг. 4 представлен резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении со сдвоенным биполярным транзистором с изолированным затвором в однокристальном исполнении, на фиг. 5 показаны диаграммы цикла коммутаций в основном ключе в составе резонансного ключа, на фиг. 6 изображены диаграммы цикла коммутаций во вспомогательном ключе в составе резонансного ключа.

Резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении (фиг. 1) содержит основной ключ 1 с положительным силовым выводом 2 и с отрицательным силовым выводом 3, параллельно подключенный к основному ключу 1 резонансный конденсатор 4, параллельно подключенную к основному ключу 1 дополнительную ветвь из последовательного соединения резонансного дросселя 5 и вспомогательного ключа 6. Основной ключ 1 и вспомогательный ключ 6 являются однонаправленными по току и двунаправленными по напряжению поскольку содержат диоды, последовательно соединенные с их каналами проводимости.

Резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении работает следующим образом.

Рассмотрим работу резонансного ключа с переключением при нулевом напряжении в схеме повышающего преобразователя постоянного напряжения (в соответствии с фиг. 2), содержащего входной источник постоянного напряжения Е с последовательно подключенным входным индуктивным фильтром Lф, который соединен с анодом диода D, катод которого подключен к цепи параллельного соединения выходного емкостного фильтра Сф и нагрузки Rн. Положительный силовой вывод 2 резонансного ключа подключен к точке соединения входного фильтра Lф с анодом диода D, а отрицательный силовой вывод 3 резонансного ключа подключен к общей шине преобразователя, к которой также подключены отрицательный узел входного источника постоянного напряжения Е и нижний узел параллельной цепи выходного емкостного фильтра Сф и нагрузки Rн.

Пусть в начальный момент времени основной ключ 1 и вспомогательный ключ 6 разомкнуты. Тогда ток дросселя Lф входного фильтра, обозначенный как ток , течет по цепи открытого диода D в цепь конденсатора Сф выходного фильтра, заряженного до постоянного напряжения , и нагрузки Rн. Напряжение на резонансном конденсаторе 4, соединённом параллельно с основным ключом 1, при этом равно напряжению . В начале цикла коммутаций происходит отпирание вспомогательного ключа 6.

1. Интервал линейного нарастания тока в резонансном дросселе 5.

При подаче сигнала управления на вспомогательный ключ 6 через открытый диод D параллельно дросселю 5 подключается напряжение , вызывая линейное нарастание тока в нём и, соответственно, во вспомогательном ключе 6, обеспечивая тем самым отпирание вспомогательного ключа 6 при нулевом токе при отсутствии коммутационных потерь мощности:

; (1)

где - индуктивность резонансного дросселя 5; - ток резонансного дросселя 5; - ток вспомогательного ключа 6.

Через интервал времени Δt1 ток резонансного дросселя 5 достигает значения тока входного фильтра Lф, и диод D запирается:

(2)

2. Интервал резонанса.

После запирания диода D в схеме начинается резонансный процесс. При этом в начале периода резонанса ток в резонансном дросселе 5 будет увеличиваться, а напряжение на резонансном конденсаторе 4 спадать:

; (3)

где - волновое сопротивление резонансного контура; - круговая частота резонанса; - напряжение на резонансном конденсаторе 4; - напряжение на основном ключе 1; - ёмкость резонансного конденсатора 4.

Поскольку вспомогательный ключ 6 является однонаправленным по току, резонансный процесс заканчивается через интервал времени при выполнении условия . При этом вспомогательный ключ 6 выключается при нулевом токе при отсутствии коммутационных потерь мощности.

Длительность интервала резонанса определяется по формуле:

(4)

где .

Напряжения на резонансном конденсаторе в конце интервала резонанса отрицательно и имеет следующее значение:

(5)

3. Интервал линейного разряда резонансного конденсатора 4.

Поскольку вспомогательный ключ 6 находится в выключенном состоянии ток входного фильтра Lф начинает разряжать резонансный конденсатор 4 по линейному закону:

(6)

Длительность данного интервала определяется по формуле:

(7)

В течение интервала времени подают сигнал управления на основной ключ 1. Тогда в конце указанного интервала основной ключ 1 автоматически отпирается при нулевом напряжении и в его канале проводимости начинает течь ток .

4. Интервал проводимости основного ключа 1.

Ток входного фильтра Lф на данном интервале течет через основной ключ 1, обеспечивая непрерывное потребление энергии от источника питания Е. Длительность интервала проводимости основного ключа 1 равна:

(8)

где - относительная длительность проводимости основного ключа 1; - период коммутации основного ключа 1.

5. Интервал выключения основного ключа 1.

После снятия сигнала управления с основного ключа 1, ток в его канале проводимости снижается до нуля. При этом ток входного фильтра Lф начинает плавно заряжать резонансный конденсатор 4, обеспечивая выключение основного ключа 1 при нулевом напряжении:

(9)

Интервал выключения основного ключа 1 заканчивается, когда напряжение на резонансном конденсаторе 4 достигает значения напряжения на нагрузке . При этом отпирается диод D, и ток входного фильтра Lф вновь начинает поступать в цепь конденсатора Сф выходного фильтра и нагрузки Rн, завершая полный цикл коммутаций.

Длительность заключительного интервала определяется по формуле:

(10)

Примеры конкретного применения предложенного устройства.

В качестве нижнего ключа устройство (фиг. 1) может быть использовано в повышающих регуляторах постоянного напряжения (фиг. 2), а также в прямоходовых и обратноходовых преобразователях постоянного напряжения с трансформаторным подключением нагрузки.

В качестве верхнего ключа предлагаемое устройство (фиг. 1) может быть использовано в понижающих и знакоинвертирующих регуляторах постоянного напряжения.

В качестве реальных однонаправленных по току и двунаправленных по напряжению ключей 1 и 6 могут быть использованы биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), изготовленные по гомогенной технологии NPT (фиг. 3), в которых роль диода, последовательно соединенного с каналом проводимости выполняет p-n переход эмиттер-база внутреннего p-n-p транзистора.

При перестановке мест в дополнительной ветви резонансного дросселя 5 и вспомогательного ключа 6 принцип работы заявляемого устройства как резонансного ключа с переключением при нулевом напряжении не изменяется. При этом основной ключ 1 и вспомогательный ключ 6 могут быть технологически изготовлены в виде сдвоенного транзистора в однокристальном исполнении (фиг. 4).

Для демонстрации применения предложенного устройства на фиг. 5 и фиг. 6 представлены диаграммы полного цикла коммутаций в резонансном ключе в схеме повышающего преобразователя постоянного напряжения (фиг. 2). Масштаб диаграмм на фиг. 5 и фиг. 6: ток 10 А/дел.; напряжение 200В/дел.; мощность 1 кВт/дел.; время 1 мкс/дел.

На фиг. 5 показаны диаграммы: тока i1(t), напряжения u1(t) и мгновенной мощности коммутационных потерь p1(t) в основном ключе 1. На фиг. 6 показаны диаграммы: тока i6(t), напряжения u6(t) и мгновенной мощности коммутационных потерь p6(t) во вспомогательном ключе 6. Основной ключ 1 переключается при нулевом напряжении, а вспомогательный ключ 6 при нулевом токе. Коммутационные потери в ключе 1 и ключе 6 практически отсутствуют.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря тому, что основной и вспомогательный ключ выполнены однонаправленными по току и двунаправленными по напряжению не требуется применение дополнительных компонентов, обеспечивающих возврат энергии резонансного дросселя в источник питания.

Кроме того, за счет переключения основного ключа 1 при нулевом напряжении, а вспомогательного ключа 6 при нулевом токе достигается снижение суммарных коммутационных потерь мощности в резонансном ключе.

Поскольку основной и вспомогательный ключ являются однонаправленными по току и двунаправленными по напряжению, напряжение на резонансном конденсаторе 4 в конце интервала резонанса принимает отрицательным значение по модулю равное начальному, при этом ток резонансного дросселя 5 снижается до нуля, что обеспечивает автоматический возврат энергии резонансного дросселя 5 в источник питания и нагрузку при «мягком» выключении вспомогательного ключа 6 при нулевом токе без коммутационных потерь мощности.

Использование полезной модели позволяет обеспечить автоматический возврат энергии резонансного дросселя в источник питания и нагрузку при «мягком» выключении вспомогательного ключа при нулевом токе без коммутационных потерь мощности.

Claims (1)

1. Резонансный ключ с переключением при нулевом напряжении, содержащий основной ключ с положительным и отрицательным силовым выводом, резонансный конденсатор и дополнительную ветвь из последовательного соединения резонансного дросселя и вспомогательного ключа, параллельно подключенные к основному ключу, отличающийся тем, что он снабжен двумя диодами, один из которых включен согласно последовательно с основным ключом, а другой согласно последовательно с вспомогательным ключом.