RU2265948C1 - Pulse transformer of network voltage and method for controlling said transformer - Google Patents
Pulse transformer of network voltage and method for controlling said transformer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2265948C1 RU2265948C1 RU2004121875/09A RU2004121875A RU2265948C1 RU 2265948 C1 RU2265948 C1 RU 2265948C1 RU 2004121875/09 A RU2004121875/09 A RU 2004121875/09A RU 2004121875 A RU2004121875 A RU 2004121875A RU 2265948 C1 RU2265948 C1 RU 2265948C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power
- voltage
- transistor
- capacitor
- transformer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для повышения технико-экономических показателей импульсных преобразователей, получающих питание непосредственно от сети переменного тока, путем сокращения числа комплектующих элементов, а также уменьшения токовой загрузки силовых транзисторных ключей в моменты коммутаций и возникающих при этом коммутационных перенапряжений.The invention relates to a conversion technique and can be used to improve the technical and economic indicators of pulse converters that are powered directly from the AC network, by reducing the number of components, as well as reducing the current load of power transistor switches at the time of switching and the resulting overvoltage.
Преобразователи указанного типа традиционно выполняются по структуре, содержащей выпрямитель сетевого напряжения, конденсаторный фильтр для сглаживания выпрямленного напряжения, согласующий трансформатор и силовые транзисторные ключи [см., например, 1) Моин B.C. Стабилизированные транзисторные пареобразователи.: М. Энергоатомиздат, 1986. 2) Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания.: М. Энергоатомиздат, 1988. ]. Перенос трансформатора из входных цепей питания с промышленной частотой 50 Гц в выходные цепи преобразователя с более высокой частотой модуляции вплоть до десятков и сотен кГц позволяет существенно уменьшить массогабаритные показатели данного элемента, что является главным достоинством указанной структуры. Дальнейшее ее усовершенствование возможно за счет уменьшения емкости или даже полного устранения из состава преобразователя сглаживающего конденсатора, имеющего, как правило, достаточно большие габариты и стоимость. Такое исключение возможно на основе прямого высокочастотного преобразования сетевого напряжения, ведущего к устранению в его составе низкочастотной сетевой составляющей модуляционным способом без сглаживающих конденсаторов [см. Сидоров С.Н. Способ управления транзисторным преобразователем с однофазным звеном повышенной частоты. Патент РФ №2227958, опубл. в БИ №12, 2004 г.]. Показано, что такое устранение возможно путем выравнивания вольтсекундной площади импульсов напряжения в первичных обмотках трансформатора, что ведет к существенному уменьшению низкочастотной составляющей в его составе до уровня нескольких % в схемах с предварительным однофазным двухполупериодным выпрямлением или даже к полному устранению этой составляющей в схемах с трехфазным выпрямлением. Вместе с тем в большинстве случаев преобразователи указанного типа должны отвечать не одному, а комплексу требований, к числу которых прежде всего следует отнести минимальный уровень коммутационных потерь и перенапряжений в цепях силовых транзисторов. Предлагаемое техническое решение представляет попытку решения указанных проблем установкой на выходе выпрямителя вместо сглаживающего конденсатора аналогичного элемента другого назначения - демпфирующего неполярного конденсатора значительно меньшей емкости и стоимости. Наиболее близкое решение, основывающееся на применении в импульсных преобразователях конденсаторов, содержится, например, в статьях 1) S.Clemente, В. Pelly, R. Ruttonsha Универсальный источник питания с частотой 100 кГц на одном МОП ПТ. - Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. под ред. В. Токарева. Воронеж, 1995. 2) П.Угринов Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях напряжения. - Силовая электроника, №1, 2004. Тематическое приложение к журналу "Компоненты и технологии".Converters of this type are traditionally performed according to a structure comprising a mains voltage rectifier, a capacitor filter for smoothing the rectified voltage, a matching transformer and power transistor switches [see, for example, 1) Moin B.C. Stabilized transistor steam converters .: M. Energoatomizdat, 1986. 2) Severns R., Bloom G. Pulse DC-DC converters for secondary power supply systems: M. Energoatomizdat, 1988.]. The transfer of the transformer from the input power circuits with an industrial frequency of 50 Hz to the output circuits of the converter with a higher modulation frequency up to tens and hundreds of kHz can significantly reduce the overall dimensions of this element, which is the main advantage of this structure. Its further improvement is possible by reducing the capacity or even completely eliminating the smoothing capacitor from the converter, which, as a rule, has rather large dimensions and cost. Such an exception is possible on the basis of direct high-frequency conversion of the mains voltage, leading to the elimination of the low-frequency network component in its composition in a modulation manner without smoothing capacitors [see Sidorov S.N. A method for controlling a transistor converter with a single-phase high frequency link. RF patent No. 2227958, publ. in BI No. 12, 2004]. It is shown that such elimination is possible by leveling the volt-second area of voltage pulses in the primary windings of the transformer, which leads to a significant decrease in the low-frequency component in its composition to a level of several% in circuits with preliminary single-phase two-half-wave rectification or even to complete elimination of this component in schemes with three-phase rectification . However, in most cases, the converters of this type must meet not one, but a set of requirements, which include, first of all, the minimum level of switching losses and overvoltages in the circuits of power transistors. The proposed technical solution is an attempt to solve these problems by installing at the output of the rectifier, instead of a smoothing capacitor, a similar element of another purpose - a damping non-polar capacitor of much lower capacity and cost. The closest solution, based on the use of capacitors in pulse converters, is contained, for example, in articles 1) S. Clemente, B. Pelly, R. Ruttonsha A universal power source with a frequency of 100 kHz on one MOSFET. - Power semiconductor devices. Per. from English under the editorship of V. Tokareva. Voronezh, 1995. 2) P. Ugrinov Voltage limitation on a key transistor in single-cycle voltage converters. - Power Electronics, No. 1, 2004. Thematic supplement to the journal "Components and Technologies".
Известное решение предполагает наличие в схеме однотактного импульсного преобразователя первичного источника питания в виде выпрямителя сетевого напряжения на диодах, а также согласующего трансформатора, первичная обмотка которого, зашунтированная в обратном направлении разрядным диодом, подключена в проводящем направлении тока к полюсам выпрямителя с помощью силового транзисторного ключа, а также наличие демпфирующего конденсатора, одна из обкладок которого присоединена к положительному полюсу выпрямителя, а другая обкладка подключена в направлении заряда конденсатора к отрицательному полюсу выпрямителя с помощью разделительного диода.The known solution assumes the presence in the circuit of a single-cycle pulse converter of the primary power source in the form of a rectifier of the mains voltage on the diodes, as well as a matching transformer, the primary winding of which, shunted in the opposite direction by a discharge diode, is connected in the conducting direction of the current to the poles of the rectifier using a power transistor switch, as well as the presence of a damping capacitor, one of the plates of which is connected to the positive pole of the rectifier, and the other plate under lyuchena in a direction to charge the capacitor to the negative pole of the rectifier via a separating diode.
Известный способ управления преобразователем указанного типа предусматривает формирование и широтно-импульсное регулирование напряжения в цепи нагрузки путем циклического подключения с высокой частотой первичной обмотки согласующего трансформатора с помощью силового транзисторного ключа к источнику сетевого выпрямленного напряжения с последующим уменьшением или устранением в составе этого напряжения низкочастотной составляющей, за счет надлежащего выбора моментов переключений, выравнивающего вольт-секундные площади импульсов напряжения в первичных обмотках указанного трансформатора в течение каждой полуволны сетевого выпрямленного напряжения без предварительного его сглаживания и использования конденсатора на выходе источника в качестве демпфирующего элемента, служащего для ограничения коммутационных перенапряжений и потерь в силовых транзисторах за счет уменьшения величины и скорости изменения тока перед их выключением.A known method of controlling a converter of this type involves the formation and pulse-width regulation of the voltage in the load circuit by cyclic connection with a high frequency of the primary winding of the matching transformer using a power transistor switch to the source of the rectified mains voltage with subsequent reduction or elimination of the low-frequency component in the composition of this voltage, for due to the proper selection of switching moments, leveling the volt-second area of the pulse voltage in the primary windings of said transformer during each half-wave of mains rectified voltage without its smoothing and use the capacitor at the source output as a damping element, serving for limiting switching surges and losses in the power transistors by reducing the magnitude and rate of change of current prior to switching off.
Для решения указанных выше задач предлагается в схему однотактного импульсного преобразователя дополнительно ввести вспомогательный транзисторный ключ сравнительно малой мощности, присоединенный первым выводом к точке подключения демпфирующего конденсатора в направлении его разряда с анодом разделительного диода, а вторым выводом присоединенный к точке соединения первичной обмотки трансформатора с силовым транзисторным ключом. Предлагаемый способ управления вспомогательным транзисторным ключом направлен на уменьшение тока и потерь мощности в силовом транзисторном ключе при их запирании и состоит в кратковременном периодическом включении вспомогательного транзистора в моменты времени, непосредственно предшествующие выключению силовых транзисторов, с последующим одновременным выключением силовых и вспомогательных транзисторных ключей.To solve the above problems, it is proposed to additionally introduce an auxiliary transistor switch of relatively low power into the circuit of a single-cycle pulse converter, connected by the first output to the connection point of the damping capacitor in the direction of its discharge with the anode of the isolation diode, and the second output connected to the connection point of the transformer primary winding with the power transistor the key. The proposed method for controlling an auxiliary transistor switch is aimed at reducing current and power losses in the power transistor switch when they are locked and consists in short-term periodic switching on of the auxiliary transistor at times immediately preceding the switching off of power transistors, followed by simultaneous switching off of power and auxiliary transistor switches.
На фиг.1, 2 приведены результаты имитационного компьютерного моделирования с помощью программы "Electronics Workbench" электромагнитных процессов в преобразователе, принятом за прототип;Figure 1, 2 shows the results of computer simulation using the program "Electronics Workbench" of electromagnetic processes in the Converter, adopted as a prototype;
на фиг.3 представлена упрощенная модель преобразователя с одноразовым включением-выключением силового транзистора, подтверждающая правомерность предлагаемого решения; на фиг.4 - результаты компьютерного моделирования однотактного импульсного преобразователя, работа которого происходит в соответствии с предлагаемым техническим решением.figure 3 presents a simplified model of the Converter with a one-time on-off power transistor, confirming the validity of the proposed solution; figure 4 - the results of computer simulation of a single-cycle pulse converter, the operation of which occurs in accordance with the proposed technical solution.
Для знакомства с работой устройства, принятого за прототип, на фиг.1 приведена схема однотактного импульсного преобразователя, питание которого осуществляется от однофазного сетевого источника переменного напряжения посредством выпрямителя, в выходных цепях которого отсутствует сглаживающий конденсатор. Видно, что в случае традиционного управления силовым транзистором с постоянной скважностью управляющих импульсов присутствие в напряжении питания низкочастотных пульсаций с частотой 100 Гц приводит к значительным нежелательным пульсациям с этой же частотой тока нагрузки на выходе преобразователя (см. фиг.1а). Тем не менее, применением способа управления, ведущего к выравниванию вольт-секундных площадей выходного импульсного напряжения, согласно Патенту РФ №2227958, указанную низкочастотную составляющую в токе можно существенно уменьшить (см. фиг.1б), а при питании от трехфазного источника даже полностью устранить (см. фиг.2б). Таким образом, в случаях формирования тока заданной формы выполнение импульсного преобразователя и его питание от сети переменного напряжения возможно модуляционным способом без применения сглаживающих конденсаторов значительной емкости.To familiarize yourself with the operation of the device adopted as a prototype, Fig. 1 shows a diagram of a single-cycle pulse converter, the power of which is supplied from a single-phase AC source by means of a rectifier, in the output circuits of which there is no smoothing capacitor. It is seen that in the case of traditional control of a power transistor with a constant duty cycle of control pulses, the presence in the supply voltage of low-frequency ripples with a frequency of 100 Hz leads to significant undesirable ripples with the same frequency of the load current at the converter output (see Fig. 1a). Nevertheless, by applying a control method leading to equalization of the volt-second areas of the output pulse voltage, according to the RF Patent No. 2227958, the indicated low-frequency component in the current can be significantly reduced (see Fig. 1b), and even completely eliminated when powered by a three-phase source (see figb). Thus, in cases of the formation of a current of a given shape, the implementation of a pulse converter and its supply from an alternating voltage network is possible in a modulating manner without the use of smoothing capacitors of significant capacity.
Однако на практике преобразователи указанного типа должны отвечать нескольким требованиям, к числу которых, кроме отсутствия габаритных и дорогих сглаживающих конденсаторов, следует отнести минимальный уровень коммутационных потерь и перенапряжений в цепях силовых транзисторов. Решение данной задачи известно, например, из практики резонансных инверторов и предполагает выключения силового транзистора в моменты достижения тока и напряжения в силовой цепи минимального, в частности нулевого, уровня. Однако широтно-импульсное регулирование в условиях резонанса затруднительно, в связи с чем области применения указанного решения ограничены. Поэтому уменьшение тока силового транзистора перед выключением предлагается осуществлять путем создания параллельных цепей, в одной из которых устанавливается демпфирующий конденсатор, имеющий необходимое превышение напряжения по сравнению с напряжением в цепи силового транзистора. Принципиальную возможность подобного уведения тока в параллельные цепи иллюстрирует упрощенная модель преобразователя на фиг.3, работающая, с целью наглядности, в режиме одноразового включения-выключения. Преобразователь содержит сетевой источник питания с выпрямителем на диодах 1, согласующий трансформатор 2, присоединение первичной обмотки которого к выпрямителю осуществляется с помощью силового транзисторного ключа 3, выполненного в данном случае по неуправляемой составной схеме соединения двух биполярных транзисторов. В параллель к полюсам выпрямителя подключен демпфирующий конденсатор 4 с последовательно соединенным в направлении заряда конденсатора разделительным диодом 5. Для выполнения поставленной задачи коллекторную цепь силового транзисторного ключа предлагается соединить с точкой соединения конденсатора и диода с помощью коммутирующего элемента 6, роль которого в рассматриваемой модели выполняет переключатель Space. В выходной цепи силового транзистора установлен датчик тока Iv, позволяющий наблюдать процесс коммутации силового транзистора с помощью виртуального осциллографа. Полагается, что в исходном состоянии Space находится в разомкнутом нижнем положении. При подаче напряжения ток Iv начинает возрастать, при этом конденсатор 4 к моменту времени, совпадающему с серединой экрана осциллографа, оказывается заряжен до величины, не меньшей амплитудного значения питающего напряжения. Перевод Space во включенное верхнее положение приводит к присоединению отрицательной обкладки конденсатора к выходной цепи силового транзистора, что способствует уведению тока первичной обмотки трансформатора из цепи с силовым транзистором в две параллельные цепи с конденсатором 4 и разделительным диодом 5. В результате, как это видно из осциллограммы, ток силового транзисторного ключа практически мгновенно снижается до нуля, а напряжение на его коллекторе остается незначительным, равным падению напряжения на разделительном диоде. При этом создаются условия для последующего выключения силового транзистора практически в обесточенном состоянии при малом напряжении на силовых выводах. В реальных условиях это означает существенное уменьшение коммутационных потерь мощности в транзисторе, а заодно и коммутационных перенапряжений на данном основном элементе схемы. Можно видеть, что выполнение данной задачи требует применения демпфирующего конденсатора сравнительно малой емкости, выбор которой должен обеспечить равенство или некоторое превышение половины периода собственных колебаний LC-цепи, в которой происходит перезаряд конденсатора, по сравнению с собственным временем выключения силового транзистора.However, in practice, converters of this type must meet several requirements, which, in addition to the lack of overall and expensive smoothing capacitors, include the minimum level of switching losses and overvoltages in power transistor circuits. The solution to this problem is known, for example, from the practice of resonant inverters and involves turning off the power transistor when the current and voltage in the power circuit reach a minimum, in particular zero, level. However, pulse-width regulation under resonance conditions is difficult, and therefore the application fields of this solution are limited. Therefore, it is proposed to reduce the current of the power transistor before turning it off by creating parallel circuits, in one of which a damping capacitor is installed, which has the necessary excess voltage compared to the voltage in the power transistor circuit. The principal possibility of such a withdrawal of current in parallel circuits is illustrated by the simplified model of the converter in Fig. 3, which operates, for the sake of clarity, in a one-time on-off mode. The converter contains a network power supply with a rectifier on
Реальная схема предлагаемого устройства изображена на фиг.4. Кроме названных элементов схема содержит вспомогательный транзисторный ключ 6 вместо переключателя Space, кратковременное подключение которого осуществляется с помощью специального управляющего устройства Regul 3 с некоторым упреждением относительно моментов выключения силового транзисторного ключа. Так как электромагнитные процессы коммутации не зависят от способа модуляции, рассмотрение работы данного устройства проведено при постоянной скважности управляющих импульсов. Для наблюдения за изменениями токов в цепях с силовым и вспомогательным транзисторами, а также в цепи с конденсатором применяются датчики тока ДТ1 - ДТ3. Осциллограммы на фиг.4а иллюстрируют форму тока в цепи силового транзисторного ключа (верхний луч) и тока вспомогательного транзистора (нижний луч). Видно, что кратковременные включения вспомогательного транзистора действительно происходят с упреждением относительно моментов выключения силового транзистора и сопровождаются уведением тока последнего в параллельную цепь. Последующие выключения силового и вспомогательных транзисторов происходят одновременно и у каждого - при меньшем токе по сравнению с амплитудным значением тока нагрузки. Исследования схемы показали, что степень уменьшения тока силового транзистора перед выключением зависит как от времени упреждения при включении вспомогательного транзистора, так и от степени насыщения последнего. В любом случае величина среднего тока вспомогательного транзистора оказывается меньше коммутируемого тока нагрузки, в связи с чем мощность данного элемента сравнительно мала. Осциллограммы на фиг.4б иллюстрируют форму тока демпфирующего конденсатора (нижний луч), которая подтверждает колебательный характер перезаряда этого конденсатора и правильность рекомендации по выбору его емкости.A real diagram of the proposed device is depicted in figure 4. In addition to the above elements, the circuit contains an
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004121875/09A RU2265948C1 (en) | 2004-07-16 | 2004-07-16 | Pulse transformer of network voltage and method for controlling said transformer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004121875/09A RU2265948C1 (en) | 2004-07-16 | 2004-07-16 | Pulse transformer of network voltage and method for controlling said transformer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2265948C1 true RU2265948C1 (en) | 2005-12-10 |
Family
ID=35868770
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004121875/09A RU2265948C1 (en) | 2004-07-16 | 2004-07-16 | Pulse transformer of network voltage and method for controlling said transformer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2265948C1 (en) |
-
2004
- 2004-07-16 RU RU2004121875/09A patent/RU2265948C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
CLEMENTE S., PELLY В., RUTTONSHA R., Универсальный источник питания с частотой 100 кГц на одном МОП ПТ. Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с анг./Под ред. В.Токарева. Воронеж, 1995. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5796598A (en) | Voltage-converting circuit for the power supply of an electrical consumer of high output, particularly a bobbin winding machine | |
CN103715896B (en) | Continuous-current plant and control method thereof | |
AU2011217688A1 (en) | DC-DC converter circuit for high input-to-output voltage conversion | |
CN100418293C (en) | Capacitively coupled power supply | |
JPH04251572A (en) | Soft switching power converter for discrete pulse modulation and pulse width modulation mode active action | |
KR20110110805A (en) | Dc/dc-converter and ac/dc-converter | |
CN112953291B (en) | Bipolar high-voltage pulse power supply for generating uniform low-temperature plasma | |
JP7121971B2 (en) | Three-phase AC-DC converter | |
CN113206598A (en) | Series resonant constant-current charging power supply | |
KR100439414B1 (en) | DC/DC converter of Insulation type and Uninterruptible power supply used the same apparatus | |
JP5516055B2 (en) | Power converter | |
RU2265948C1 (en) | Pulse transformer of network voltage and method for controlling said transformer | |
US6038151A (en) | Switching network and method of reducing input current total harmonic distortion for a boost converter | |
CN115811238A (en) | AC electronic transformer or voltage regulator | |
US6944037B2 (en) | Method and voltage converter for converting DC input voltage to AC voltage in a system frequency range | |
JP2003009525A (en) | Voltage converter | |
WO2003044933A1 (en) | A parallel feed-forward compensating type power factor correction circuit for a three-phase power source | |
KR20100055233A (en) | Current-fed three phase half-bridge dc-dc converter for power conversion apparatus | |
Suryawanshi et al. | Resonant converter in high power factor, high voltage DC applications | |
US11855530B1 (en) | Resonant converter with multiple resonant tank circuits | |
CN110707934B (en) | Switching power supply circuit and power supply device | |
Sahraneshin et al. | A novel switching pattern for switching loss reduction of an IPT-based single to three-phase cycloconverter | |
KR20120077176A (en) | Power supply apparatus for plasma display panel | |
JPH08317657A (en) | Resonance-type converter apparatus | |
Lin et al. | Interleaved resonant converter with flying capacitor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060717 |