RU227090U1 - Инвертор напряжения с мягкой коммутацией - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах, и направлена на повышение эффективности снижения энергии динамических потерь в основных ключах инвертора напряжения. Известный инвертор напряжения, содержащий два основных источника ЭДС, стойку из двух последовательно соединенных основных ключей, к каждому из которых параллельно присоединены встречно-параллельный диод и резонансный конденсатор, два дополнительных ключа, к каждому из которых параллельно присоединен встречно-параллельный диод и согласно последовательно дополнительный диод, положительный полюс первого основного источника ЭДС соединен с верхним выводом стойки основных ключей положительной шиной питания, отрицательный полюс второго основного источника ЭДС соединен с нижним выводом стойки основных ключей отрицательной шиной питания, средняя точка стойки основных ключей образует точку фазы инвертора, к которой подсоединен первый вывод резонансного дросселя, ко второму выводу которого подключены первый и второй дополнительные ключи, между точкой соединения катода первого дополнительного диода с первым дополнительным ключом и положительной шиной питания подключен первый дополнительный резонансный конденсатор, между точкой соединения анода второго дополнительного диода со вторым дополнительным ключом и отрицательной шиной питания подключен второй дополнительный резонансный конденсатор, снабжен дополнительным источником ЭДС, положительный полюс которого соединен с отрицательным полюсом первого основного источника ЭДС и анодом первого дополнительного диода, а отрицательный полюс соединен с положительным полюсом второго основного источника ЭДС и катодом второго дополнительного диода. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к силовой электронике, в частности к преобразователям со сниженными потерями мощности в силовых полупроводниковых ключах и может быть использована в схемах инверторов и регуляторов напряжения.

Известна схема инвертора напряжения, в которой для уменьшения энергии динамических потерь используется вспомогательная резонансная цепь, обеспечивающая переключение основных ключей инвертора при нулевом напряжении (патент US № 5047913, публ. 10.09.1991, МПК H02M7/521).

Недостатком данного решения является то, что снижение энергии динамических потерь при запирании основных ключей инвертора можно обеспечить только за счет увеличения емкости внешних конденсаторов, что ведет к снижению частоты коммутации.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемой полезной модели является инвертор напряжения с резонансной коммутацией (патент RU на ПМ № 165073, публ. 10.10.2016, МПК H02M7/523), содержащий два основных источника ЭДС, стойку из двух последовательно соединенных основных ключей, к каждому из которых параллельно присоединены встречно-параллельный диод и резонансный конденсатор, два дополнительных ключа, к каждому их которых параллельно присоединен встречно-параллельный диод и согласно последовательно дополнительный диод, положительный полюс первого основного источника ЭДС соединен с верхним выводом стойки основных ключей положительной шиной питания, отрицательный полюс второго основного источника ЭДС соединен с нижним выводом стойки основных ключей отрицательной шиной питания, средняя точка стойки основных ключей образует точку фазы инвертора, с которой соединяется первый вывод резонансного дросселя, ко второму выводу которого подключены первый и второй дополнительные ключи, между точкой соединения катода первого дополнительного диода с первым дополнительным ключом и положительной шиной питания подключен первый дополнительный резонансный конденсатор, между точкой соединения анода второго дополнительного диода со вторым дополнительным ключом и отрицательной шиной питания подключен второй дополнительный резонансный конденсатор, оба основных источника ЭДС последовательно соединены и к общей точке их соединения подключены дополнительные диоды.

Недостатком настоящего технического решения является то, что мягкая коммутация при нулевом напряжении в инверторе возможна только при условии, если напряжение на каждом из дополнительных резонансных конденсаторов ограничено на уровне менее половины от суммарного напряжения основных источников ЭДС. Очевидно, что при необходимом равенстве напряжений на основных источниках ЭДС, достижение указанного критерия возможно чисто теоретически в граничной точке, и с учетом не идеальности компонентов инвертора является практически не выполнимым. В результате резонансные конденсаторы, параллельно подключенные к основным ключам инвертора, в каждом такте коммутации не полностью разряжаются и рассеивают часть накопленной энергии в основных ключах, снижая эффективность мягкой коммутации.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности снижения энергии динамических потерь в основных ключах инвертора напряжения.

Технический результат заключается в реализации необходимого уровня ограничения напряжения на каждом из дополнительных резонансных конденсаторов, обеспечивающего полный разряд напряжения на каждом резонансном конденсаторе, подключенном параллельно основным ключам инвертора.

Это достигается тем, что известный инвертор напряжения, содержащий два основных источника ЭДС, стойку из двух последовательно соединенных основных ключей, к каждому из которых параллельно присоединены встречно-параллельный диод и резонансный конденсатор, два дополнительных ключа, к каждому из которых параллельно присоединен встречно-параллельный диод и согласно последовательно дополнительный диод, положительный полюс первого основного источника ЭДС соединен с верхним выводом стойки основных ключей положительной шиной питания, отрицательный полюс второго основного источника ЭДС соединен с нижним выводом стойки основных ключей отрицательной шиной питания, средняя точка стойки основных ключей образует точку фазы инвертора, к которой подсоединен первый вывод резонансного дросселя, ко второму выводу которого подключены первый и второй дополнительные ключи, между точкой соединения катода первого дополнительного диода с первым дополнительным ключом и положительной шиной питания подключен первый дополнительный резонансный конденсатор, между точкой соединения анода второго дополнительного диода со вторым дополнительным ключом и отрицательной шиной питания подключен второй дополнительный резонансный конденсатор, снабжен дополнительным источником ЭДС, положительный полюс которого соединен с отрицательным полюсом первого основного источника ЭДС и анодом первого дополнительного диода, а отрицательный полюс соединен с положительным полюсом второго основного источника ЭДС и катодом второго дополнительного диода.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен инвертор напряжения с мягкой коммутацией, на фиг. 2 изображена диаграмма одного цикла коммутации тока нагрузки для основного ключа инвертора.

Инвертор напряжения с мягкой коммутацией (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 основные источники ЭДС, стойку 3, содержащую последовательно соединенные первый 4 и второй 5 основные ключи, к каждому из которых параллельно присоединены, соответственно, первый 6 и второй 7 встречно-параллельные диоды и первый 8 и второй 9 резонансные конденсаторы. Инвертор также содержит первый 10 и второй 11 дополнительные ключи, к каждому их которых параллельно присоединен, соответственно, первый 12 и второй 13 встречно-параллельные диоды и согласно последовательно первый 14 и второй 15 дополнительные диоды 14.

Положительный полюс первого основного источника ЭДС 1 соединен с верхним выводом стойки основных ключей 3 положительной шиной питания 16, отрицательный полюс второго основного источника ЭДС 2 соединен с нижним выводом стойки основных ключей 3 отрицательной шиной питания 17, средняя точка стойки основных ключей 3 образует точку фазы инвертора 18, к которой подсоединен первый вывод резонансного дросселя 19, ко второму выводу которого подключены первый 10 и второй 11 дополнительные ключи.

Между точкой соединения катода первого дополнительного диода 14 с первым дополнительным ключом 10 и положительной шиной питания 16 подключен первый дополнительный резонансный конденсатор 20. Между точкой соединения анода второго дополнительного диода 15 со вторым дополнительным ключом 11 и отрицательной шиной питания 17 подключен второй дополнительный резонансный конденсатор 21.

Инвертор содержит также дополнительный источник ЭДС 22, положительный полюс которого соединен с отрицательным полюсом первого основного источника ЭДС 1 и анодом первого дополнительного диода 14, а отрицательный полюс соединен с положительным полюсом второго основного источника ЭДС 2 и катодом второго дополнительного диода 15.

Инвертор напряжения с мягкой коммутацией работает следующим образом.

В начальный момент времени ток нагрузки I_H втекает в точку фазы 18 инвертора. При этом второй основной ключ 5 заперт и ток нагрузки I_H замыкается по цепи первого встречно-параллельного диода 6 первого основного ключа 4, который является противофазным относительно второго основного ключа 5. При заданном направлении тока нагрузки I_H емкость второго резонансного конденсатора 9 заряжена до напряжения E, равного сумме напряжений каждого из источников ЭДС 1, 2 и 22. Напряжения на каждом из указанных источников распределены следующим образом: напряжения на каждом основном источнике ЭДС 1 и 2 равны 0,4E, а напряжение на дополнительном источнике ЭДС 22 равно 0,2E. Емкость первого резонансного конденсатора 8 при этом разряжена до нулевого напряжения. Емкость второго дополнительного резонансного конденсатора 21 заряжена до напряжения 0,4E второго основного источника ЭДС 2, а емкость первого дополнительного резонансного конденсатора 20 разряжена до нуля. Первый 10 и второй 11 дополнительные ключи заперты и начальный ток резонансного дросселя 19 равен нулю.

Рассмотрим полный цикл коммутации тока нагрузки I_H от первого встречно-параллельного диода 6 первого основного ключа 4 ко второму основному ключу 5 и обратно. Данный цикл имеет следующие основные интервалы.

1. Интервал нарастания тока в резонансном дросселе 19.

При включении второго дополнительного ключа 11 через первый открытый диод 6 к резонансному дросселю 19 прикладывается суммарное напряжение от источников ЭДС 2 и 22. При этом ток I₁₉ резонансного дросселя 19 увеличивается по линейному закону

,

где L₁₉ - индуктивность резонансного дросселя 19.

Плавное нарастание тока I₁₉ резонансного дросселя 19 обеспечивает включение второго дополнительного ключа 11 при нулевом токе, практически без потерь мощности.

Первый интервал заканчивается, когда ток I₁₉ резонансного дросселя 19 нарастает до величины тока нагрузки I_H. При этом первый встречно-параллельный диод 6 первого основного ключа 4 запирается. Длительность первого интервала Δt₁ равна

2. Интервал разряда второго резонансного конденсатора 9 и отпирания второго основного ключа 5 при нулевом напряжении.

После запирания первого встречно-параллельного диода 6 первого основного ключа 4 между резонансным дросселем 19 и первым 8 и вторым 9 резонансными конденсаторами начинается колебательный процесс, при котором напряжение U₉ на втором резонансном конденсаторе 9 снижается

где - круговая частота колебательного процесса разряда второго резонансного конденсатора 9; C₈ и C₉ - емкости первого 8 и второго 9 резонансных конденсаторов, соответственно.

Отметим, что полный разряд второго резонансного конденсатора 9 в соответствии с формулой (3) гарантированно обеспечен, поскольку напряжение на втором дополнительном резонансном конденсаторе 21 не превышает значения 0,4E, что меньше, чем минимально необходимый граничный критерий 0,5E. В представленном решении необходимый результат обеспечивается применением второго дополнительного диода 15, который согласно последовательно включен со вторым дополнительным ключом 11, и который выполняет функцию ограничителя напряжения на втором дополнительном резонансном конденсаторе 21 на уровне напряжения второго основного источника ЭДС 2, равного 0,4E.

Через интервал времени Δt₂ напряжение на втором резонансном конденсаторе 9 достигает нуля

После разряда второго резонансного конденсатора 9 на второй основной ключ 5 подается сигнал управления, и второй основной ключ 5 отпирается без потерь мощности при нулевом напряжении.

3. Интервал сброса тока в резонансном дросселе 19.

После отпирания второго основного ключа 5 второй дополнительный ключ 11 все еще находится в открытом состоянии, и к резонансному дросселю 19 прикладывается напряжение обратной полярности, равное напряжению 0,4E второго основного источника ЭДС 2. При этом ток в резонансном дросселе 19 начинает спадать по линейному закону

Через интервал времени Δt₃ ток в резонансном дросселе 19 снижается до нуля, и управляемый второй дополнительный ключ 11 выключают без потерь мощности при нулевом токе

4. Интервал перезаряда второго дополнительного резонансного конденсатора 21.

После запирания второго дополнительного ключа 11 по цепи открытого второго основного ключа 5 через второй встречно-параллельный диод 13 второго дополнительного ключа 11 начинается колебательный процесс между резонансным дросселем 19 и вторым дополнительным резонансным конденсатором 21. В результате второй дополнительный резонансный конденсатор 21 перезаряжается, а напряжение на его обкладках меняет свою полярность. Длительность перезаряда Δt₄ второго дополнительного резонансного конденсатора 21 равна

,

где C₂₁ - емкость второго дополнительного резонансного конденсатора 21.

5. Интервал проводимости второго основного ключа 5.

В соответствии с заданным алгоритмом управления инвертором в течение времени Δt₅ второй основной ключ 5 находится в состоянии проводимости. При этом ток нагрузки I_H протекает по цепи второго основного ключа 5.

6. Интервал запирания второго основного ключа 5 при нулевом токе.

После окончания интервала проводимости второго основного ключа 5, отпирается второй дополнительный ключ 11, и в последовательном контуре, образованном индуктивностью резонансного дросселя 19 и емкостью второго дополнительного резонансного конденсатора 21, начинается резонансный процесс. При этом во втором основном ключе 5 начинает протекать ток, направленный встречно по отношению к току нагрузки I_H

,

где - волновое сопротивление последовательного контура; - круговая частота резонансного процесса.

Плавное нарастание тока в резонансном дросселе 19 обеспечивает включение второго дополнительного ключа 11 в режиме нулевого тока, практически без потерь мощности.

Через интервал времени Δt₆ ток I₅ снижается до нуля и второй основной ключ 5 запирается при нулевом токе

Напряжение на втором дополнительном резонансном конденсаторе 21 снижается при этом практически до нуля, а ток в резонансном дросселе 19 становится равным току нагрузки I_H.

7. Интервал заряда второго дополнительного резонансного конденсатора 21.

Поскольку ток резонансного дросселя 19 равен току нагрузки I_H, а второй основной ключ 5 заперт, начинается линейный заряд второго дополнительного резонансного конденсатора 21 током нагрузки I_H

Интервал заряда Δt₇ заканчивается при увеличении напряжения на втором дополнительном резонансном конденсаторе 21 до значения 0,4E, равного напряжению второго основного источника ЭДС 2, при котором отпирается второй дополнительный диод 15

8. Интервал сброса энергии, накопленной в резонансном дросселе 19. После отпирания второго дополнительного диода 15 между резонансным дросселем 19 и первым 8 и вторым 9 резонансными конденсаторами начинается колебательный процесс частотой . При этом через интервал Δt₈, примерно равный четверти периода резонансной частоты ω_p1, ток в цепи резонансного дросселя 19 снижается до нуля, и второй дополнительный ключ 11 запирается при нулевом токе, без потерь мощности.

9. Интервал заряда второго резонансного конденсатора 9.

После запирания второго дополнительного ключа 11 первый 8 и второй 9 резонансные конденсаторы линейно перезаряжаются током нагрузки I_H. При этом длительность интервала Δt₉ определяется по формуле

По окончании последнего интервала второй резонансный конденсатор 9 заряжается до начального напряжения H, а первый резонансный конденсатор 8 разряжается до нуля. При этом включается первый встречно-параллельный диод 6 первого основного ключа 4, на который переходит ток нагрузки I_H, и цикл коммутаций завершается.

При изменении направления тока нагрузки инвертора от точки фазы 18, в начальный момент времени он будет замыкаться по цепи второго встречно-параллельного диода 7 второго основного ключа 5. Полный цикл коммутации тока нагрузки от второго встречно-параллельного диода 7 второго основного ключа 5 к первому основному ключу 4 будет иметь те же девять интервалов, что и для рассмотренного ранее цикла. При этом для обеспечения коммутации первого основного ключа 4 при нулевом напряжении и токе будет использоваться первый дополнительный ключ 10 с первым встречно-параллельным диодом 12 и первым согласно последовательным дополнительным диодом 14, при использовании первого дополнительного резонансного конденсатора 20.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает гарантированное отпирание первого 4 и второго 5 основных ключей инвертора при нулевом напряжении и их запирание при нулевом токе, а также отпирание и запирание первого 10 и второго 11 дополнительных ключей при нулевом токе. При этом мощность коммутационных потерь в инверторе практически равна нулю, что повышает его КПД и эффективность процессов преобразования электрической энергии.

Предложенное устройство было исполнено и применено в трёхфазном инверторе напряжения.

Основные источники ЭДС 1, 2 и дополнительный источник ЭДС 22 реализованы в виде стойки последовательно соединенных фильтровых конденсаторов. К стойке подключено внешнее напряжение величиной E. Необходимое распределение внешнего напряжения E между конденсаторами стойки обеспечено выбором соответствующего соотношения между их емкостями, при котором емкости для основных источников ЭДС 1 и 2 выбраны равными друг другу, а емкость для дополнительного источника ЭДС 22 - в два раза больше. При этом напряжения на каждом из фильтровых конденсаторов основных источников ЭДС 1 и 2 равны 0,4E, а напряжение на фильтровом конденсаторе дополнительного источника ЭДС 22 равно 0,2E.

На фиг. 2 представлены диаграммы одного цикла коммутации тока нагрузки для второго основного ключа 5 инвертора. На диаграммах видно, что фронты тока и напряжения второго основного ключа 5 полностью разделены во времени, при этом мощность коммутационных потерь практически равна нулю.

Для диаграмм фиг. 2 масштабы по вертикали составляют:

Напряжение второго основного ключа 5 и напряжение второго дополнительного резонансного конденсатора 21 - 500 В/дел.

Ток второго основного ключа 5 и ток резонансного дросселя 19 - 200 А/дел.

Масштаб развертки по горизонтали - 5,0 мкс/дел.

Использование полезной модели позволяет повысить эффективность снижения энергии динамических потерь в основных ключах инвертора напряжения и КПД его работы.

Claims (1)

1. Инвертор напряжения с мягкой коммутацией, содержащий два основных источника ЭДС, стойку из двух последовательно соединенных основных ключей, к каждому из которых параллельно присоединены встречно–параллельный диод и резонансный конденсатор, два дополнительных ключа, к каждому из которых параллельно присоединен встречно–параллельный диод и согласно последовательно дополнительный диод, положительный полюс первого основного источника ЭДС соединен с верхним выводом стойки основных ключей положительной шиной питания, отрицательный полюс второго основного источника ЭДС соединен с нижним выводом стойки основных ключей отрицательной шиной питания, средняя точка стойки основных ключей образует точку фазы инвертора, к которой подсоединен первый вывод резонансного дросселя, ко второму выводу которого подключены первый и второй дополнительные ключи, между точкой соединения катода первого дополнительного диода с первым дополнительным ключом и положительной шиной питания подключен первый дополнительный резонансный конденсатор, между точкой соединения анода второго дополнительного диода со вторым дополнительным ключом и отрицательной шиной питания подключен второй дополнительный резонансный конденсатор, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным источником ЭДС, положительный полюс которого соединен с отрицательным полюсом первого основного источника ЭДС и анодом первого дополнительного диода, а отрицательный полюс соединен с положительным полюсом второго основного источника ЭДС и катодом второго дополнительного диода.