RU2335841C1 - High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power - Google Patents
High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power Download PDFInfo
- Publication number
- RU2335841C1 RU2335841C1 RU2007130622/09A RU2007130622A RU2335841C1 RU 2335841 C1 RU2335841 C1 RU 2335841C1 RU 2007130622/09 A RU2007130622/09 A RU 2007130622/09A RU 2007130622 A RU2007130622 A RU 2007130622A RU 2335841 C1 RU2335841 C1 RU 2335841C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- circuit
- voltage
- current
- output
- inverter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к источникам электропитания, имеющим в своем составе преобразователь постоянного напряжения источника электроэнергии в постоянное напряжение для питания электропотребителей, преимущественно требующих высоковольтного электропитания с напряжением от единиц киловольт до нескольких сотен киловольт при потребляемых мощностях от единиц до нескольких сотен киловатт. Упомянутые источники могут применяться для электропитания: мощных ламповых усилителей в передающей аппаратуре, электронно-лучевых плавильных установок, электрофильтров для осаждения угольной пыли на тепловых станциях, зарядных и других устройств.The claimed technical solution relates to electrical engineering, namely to power sources, incorporating a constant voltage converter of an electric power source to a constant voltage for supplying electric consumers, mainly requiring high-voltage power supply with voltage from units of kilovolts to several hundred kilovolts with power consumption from units to several hundreds kilowatt. Mentioned sources can be used for power supply: high-power tube amplifiers in transmission equipment, electron beam melting plants, electrostatic precipitators for the deposition of coal dust at thermal stations, chargers and other devices.
Структура преобразователя постоянного напряжения (DC/DC преобразователь) выглядит следующим образом: входной конденсатор - инвертор - повышающий (понижающий) трансформатор - выпрямитель - выходной фильтр.The structure of the DC / DC converter (DC / DC converter) is as follows: input capacitor - inverter - step-up (step-down) transformer - rectifier - output filter.
Обычно преобразователи постоянного напряжения для низких напряжений (приблизительно до 1000 В) выполнены с дросселем, подключенным между выходным выпрямителем и нагрузкой. Это позволяет получить определенные преимущества, например улучшенный гармонический состав напряжения на нагрузке.Typically, DC / DC converters for low voltages (up to approximately 1000 V) are designed with a choke connected between the output rectifier and the load. This allows you to get certain advantages, for example, improved harmonic composition of the voltage at the load.
Однако для сравнительно высоких напряжений приблизительно от 3 кВ до 30 кВ (а также для более высоких напряжений) применение вышеупомянутой схемы выпрямителя с дросселем сопряжено с рядом сложно решаемых вопросов. Определяющим среди них является вопрос перенапряжений на вентилях выпрямителя. При высокочастотном преобразовании, характерном для преобразователей DC/DC, и высоковольтном исполнении трансформатора (толстая изоляция, приводящая к увеличению паразитных емкостей в трансформаторе) большую роль начинают играть паразитные емкости трансформатора, вызывающие колебательные процессы, сопровождающие каждое переключение ключей входного инвертора. Поскольку выходной дроссель препятствует прохождению высокочастотных колебаний в нагрузку, появляются заметные добавки к напряжению вторичной обмотки трансформатора, т.е. перенапряжения. Особенно это проявляется в режиме прерывистых токов, когда возникает так называемый «звон», вызванный перезарядом паразитной емкости вторичной обмотки трансформатора.However, for relatively high voltages from approximately 3 kV to 30 kV (as well as for higher voltages), the use of the aforementioned rectifier circuit with a choke is associated with a number of difficult to solve problems. The defining among them is the issue of overvoltage on rectifier valves. With the high-frequency conversion characteristic of DC / DC converters and the high-voltage version of the transformer (thick insulation, which leads to an increase in stray capacitance in the transformer), stray capacitance of the transformer begins to play a large role, causing oscillatory processes that accompany each switching of the keys of the input inverter. Since the output choke prevents the passage of high-frequency oscillations into the load, noticeable additions to the voltage of the secondary winding of the transformer appear, i.e. overvoltage. This is especially manifested in the intermittent current mode, when the so-called "ringing" occurs, caused by overcharging the stray capacitance of the secondary winding of the transformer.
На уровень напряжения на выходном выпрямителе в схеме с выходным дросселем дополнительно влияют также изменения входного сетевого напряжения (прямо пропорционально).The voltage level at the output rectifier in the circuit with the output inductor is additionally affected by changes in the input mains voltage (directly proportional).
Следует отметить, что в соответствии с нормативными документами для электротехнических устройств с номинальными напряжениями до 1000 В допускаются перенапряжения, равные (1,5...3)-х кратному значению номинального напряжения. Однако с ростом номинального напряжения до нескольких десятков киловольт допустимый уровень перенапряжений существенно понижается, доходя до значения 5%.It should be noted that in accordance with regulatory documents for electrical devices with rated voltages up to 1000 V, overvoltages equal to (1.5 ... 3) times the value of the nominal voltage are allowed. However, with an increase in the nominal voltage to several tens of kilovolts, the permissible overvoltage level decreases significantly, reaching a value of 5%.
Отмеченное обстоятельство побуждает к применению для высоковольтных DC/DC преобразователей схемы с выпрямителем, зашунтированным по выходу емкостью (конденсатором), параллельно которому подключается нагрузка. Это позволяет существенно уменьшить уровень перенапряжений на выпрямителе. Такой выпрямитель с конденсатором, подключенным параллельно выходу, в технической литературе нередко называют «выпрямитель с открытым выходом». Этот термин применяется в дальнейшем в настоящем описании и формуле изобретения.The aforementioned circumstance prompts the use of a circuit with a rectifier shunted to the output by a capacitor (capacitor) for high-voltage DC / DC converters, in parallel with which a load is connected. This allows you to significantly reduce the level of overvoltage on the rectifier. Such a rectifier with a capacitor connected in parallel to the output is often referred to in the technical literature as an “open output rectifier”. This term is used hereinafter in the present description and claims.
Известен преобразователь (1) постоянного напряжения, получаемого выпрямлением напряжения промышленной сети, в постоянное высоковольтное напряжение, содержащий мостовой транзисторный инвертор, к выходу которого последовательно с резонансным колебательным LC-контуром подключена первичная обмотка повышающего трансформатора. К вторичной обмотке упомянутого трансформатора подключен выпрямитель с открытым выходом, т.е. выход выпрямителя зашунтирован конденсатором. Преобразователь содержит также систему управления. Недостатком этого устройства являются высокие значения реактивных мощностей элементов резонансного колебательного LC-контура, а также упомянутый выше «звон», вызванный перезарядом паразитной емкости вторичной обмотки трансформатора, возникающий в режиме прерывистых токов.A known Converter (1) DC voltage obtained by rectifying the voltage of an industrial network, into a constant high voltage voltage containing a bridge transistor inverter, the output of which is connected in series with a resonant oscillatory LC circuit connected to the primary winding of a step-up transformer. A rectifier with an open output is connected to the secondary winding of the said transformer, i.e. the rectifier output is bridged by a capacitor. The converter also contains a control system. The disadvantage of this device is the high reactive power of the elements of the resonant oscillatory LC circuit, as well as the aforementioned “ringing" caused by overcharging of the parasitic capacitance of the secondary winding of the transformer, which occurs in the mode of intermittent currents.
Известно также техническое решение (2) и его дальнейшее развитие - преобразователь постоянного напряжения (3), содержащий мостовой транзисторный инвертор, к выходу которого последовательно с резонансным колебательным LC-контуром подключена первичная обмотка повышающего трансформатора. К вторичной обмотке упомянутого трансформатора подключен выпрямитель с открытым выходом, т.е. выход выпрямителя зашунтирован конденсатором. Преобразователь содержит также систему управления.There is also a technical solution (2) and its further development - a DC-voltage converter (3), containing a bridge transistor inverter, to the output of which a primary winding of a step-up transformer is connected in series with a resonant oscillatory LC circuit. A rectifier with an open output is connected to the secondary winding of the said transformer, i.e. the rectifier output is bridged by a capacitor. The converter also contains a control system.
Данное техническое решение (3) является наиболее близким к заявляемому техническому решению по своей сущности и техническому результату.This technical solution (3) is the closest to the claimed technical solution in its essence and technical result.
Недостатком преобразователя постоянного напряжения (3) являются высокие значения реактивных мощностей элементов резонансного колебательного LC-контура, а также большая (более 3) кратность тока (отношение амплитуды тока к среднему за полупериод значению тока), что усложняет и удорожает как узел LC-контура, так и устройство в целом. Кроме того, как будет показано ниже, в известном преобразователе (3) при переключениях транзисторов мостового инвертора в режиме большой мощности нагрузки существуют дополнительные потери в транзисторах, вызванные тем, что их включение происходит на встречно проводящий обратный диод транзистора того же плеча, ток выключения которого, проходя через включаемый транзистор и вызывает упомянутые потери.The disadvantage of the DC-voltage converter (3) is the high reactive power of the elements of the resonant oscillatory LC circuit, as well as the large (more than 3) current ratio (the ratio of the current amplitude to the average current value over a half-cycle), which complicates and increases the cost of an LC circuit, and the device as a whole. In addition, as will be shown below, in the known converter (3), when switching transistors of a bridge inverter in the high load power mode, there are additional losses in the transistors due to the fact that they are switched on to the counter-conducting reverse diode of the transistor of the same arm, the switching current of which passing through an included transistor and causes the aforementioned losses.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в уменьшении значения реактивных мощностей элементов LC-контура и кратности тока по отношению к техническому решению (3), уменьшении токовой загрузки элементов преобразователя и потерь в них.The problem to which the claimed technical solution is directed is to reduce the reactive power of the LC circuit elements and the current multiplicity with respect to the technical solution (3), reduce the current load of the converter elements and losses in them.
При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в уменьшении габаритов резонансного колебательного LC-контура, повышении КПД преобразователя, снижении его стоимости и уровня затрат на текущее эксплуатационное обслуживание, увеличении ресурса работы преобразователя.In solving this problem, the technical result achieved is to reduce the dimensions of the resonant oscillatory LC circuit, increase the efficiency of the converter, reduce its cost and the level of costs for ongoing maintenance, increase the service life of the converter.
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается тем, что в известном высоковольтном преобразователе постоянного напряжения, содержащем: инвертор, колебательный резонансный LC-контур, трансформатор, выпрямитель с открытым выходом и устройство управления инвертором, содержащее датчики токов и напряжений; упомянутый инвертор, преобразующий нестабильное, изменяющееся в широких пределах напряжение постоянного тока источника электроэнергии в переменное напряжение повышенной частоты (выходное напряжение инвертора) выполнен, например, по схеме однофазного моста, каждое из двух плеч которого образовано верхним и нижним управляемыми вентилями с обратной проводимостью, например IGBT, подключенными последовательно, причем контакт подключения верхнего и нижнего вентилей первого плеча инвертора образует первый, а аналогичный контакт второго плеча инвертора образует второй вывод переменного тока, предназначенные для подключения элементов колебательного резонансного контура и первичной обмотки упомянутого трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен высоковольтный выпрямитель с открытым выходом (выпрямитель с конденсатором, подключенным к выходным клеммам выпрямителя), согласно заявляемому техническому решению индуктивный элемент (L) колебательного резонансного LC-контура подключен последовательно в цепь первичной обмотки упомянутого трансформатора, а емкостной элемент (С) колебательного резонансного LC-контура подключен параллельно вторичной обмотке упомянутого трансформатора;In accordance with the proposed technical solution, this problem is solved by the fact that in the known high-voltage DC-voltage converter, comprising: an inverter, an oscillatory resonant LC circuit, a transformer, a rectifier with an open output and an inverter control device containing current and voltage sensors; said inverter, which converts an unstable, widely varying DC voltage of an electric power source into an alternating voltage of increased frequency (inverter output voltage) is made, for example, according to a single-phase bridge circuit, each of whose two arms is formed by upper and lower controlled valves with reverse conductivity, for example IGBTs connected in series, the contact connecting the upper and lower valves of the first arm of the inverter forms the first, and a similar contact of the second The inverter’s cha L) the oscillatory resonant LC circuit is connected in series to the primary circuit of the said transformer, and capacitively element (C) LC-oscillating resonant circuit is connected parallel to the secondary winding of said transformer;
параметры колебательного резонансного LC-контура таковы, что отношение резонансной частоты (Fres) колебательного резонансного LC-контура к частоте (f) выходного напряжения инвертора составляет 1,8...3, причем значение Fres/f=2 является оптимальным, а отношение волнового сопротивления колебательного резонансного LC-контура к базовому сопротивлению нагрузки находится в пределах 1...1,5, причем базовое сопротивление нагрузки вычисляется как отношение номинального напряжения на нагрузке к номинальному току нагрузки.the parameters of the vibrational resonant LC circuit are such that the ratio of the resonant frequency (Fres) of the vibrational resonant LC circuit to the frequency (f) of the inverter output voltage is 1.8 ... 3, and the value Fres / f = 2 is optimal, and the wave the resistance of the vibrational resonant LC circuit to the base load resistance is in the
В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что в известном способе управления величиной выходной мощности вышеупомянутого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения, при котором частота выходного тока поддерживается постоянной и приблизительно равной половине резонансной частоты колебательного резонансного LC-контура, а полупериод выходного тока формируют по методу широтно-импульсной модуляции с использованием состояния рекуперации тока или состояния зануления тока, затем определяют момент спадания выходного тока до нуля, после чего выдерживают токовую паузу и затем формируют следующий полупериод выходного тока, выполняя по симметрии действия, аналогичные вышеописанным для предыдущего полупериода, согласно заявляемому техническому решению полупериод выходного тока инвертора формируют по методу широтно-импульсной модуляции следующим образом: включают верхний вентиль первого плеча и нижний вентиль второго плеча, через промежуток времени, определяемый системой управления в зависимости от требуемого уровня мощности, отключают верхний вентиль первого плеча (или нижний вентиль второго плеча), переводя схему в состояние зануления тока, затем вычисляют длительность токовой паузы, т.е. промежутка времени между началом следующего полупериода выходного тока и моментом спадания выходного тока до нуля, в случае если длительность вычисленной токовой паузы оказывается меньше, чем «мертвое время», то в вычисляемый системой управления момент времени выключают нижний вентиль второго плеча (или верхний вентиль первого плеча), переводя схему в состояние рекуперации для увеличения длительности токовой паузы до заданного значения, и затем формируют следующий полупериод выходного тока, включая верхний вентиль второго плеча и нижний вентиль первого плеча и далее выполняя по симметрии действия, аналогичные вышеописанным для предыдущего полупериода выходного тока.In accordance with the proposed technical solution, this problem is also solved by the fact that in the known method of controlling the output power of the aforementioned high-voltage DC-voltage converter, at which the output current frequency is kept constant and approximately equal to half the resonant frequency of the vibrational resonant LC circuit, and the output current half-cycle is formed by pulse width modulation using the current recovery state or current zero state, then determine the moment the output current drops to zero, after which the current pause is maintained and then the next half-cycle of the output current is formed, performing actions similar to those described for the previous half-cycle by symmetry, according to the claimed technical solution, the half-period of the inverter output current is generated by pulse-width modulation as follows: include the upper valve of the first shoulder and the lower valve of the second shoulder, after a period of time determined by the control system depending on the required equal power, turn off the upper valve of the first shoulder (or the lower valve of the second shoulder), turning the circuit into a state of zero current, then calculate the duration of the current pause, i.e. the time interval between the beginning of the next half-cycle of the output current and the moment the output current drops to zero, if the duration of the calculated current pause is shorter than the "dead time", then the lower valve of the second arm (or the upper valve of the first arm) is turned off at the instant of time calculated by the control system ), transferring the circuit to the recovery state to increase the duration of the current pause to a predetermined value, and then form the next half-cycle of the output current, including the upper valve of the second arm and lower the first valve of the first arm and then performing symmetrical actions similar to those described above for the previous half-period of the output current.
На фиг.1 представлена электрическая схема преобразователя постоянного напряжения, выполненного в соответствии с United States Patent №4680693 (1) и в соответствии с заявкой WO 2006/079985 А2 (3).Figure 1 presents the electric circuit of the DC-DC Converter, made in accordance with the United States Patent No. 4680693 (1) and in accordance with the application WO 2006/079985 A2 (3).
На фиг.2 представлена электрическая схема заявляемого преобразователя постоянного напряжения с фильтрокомпенсирующей цепью.Figure 2 presents the electrical circuit of the inventive DC-DC converter with filter compensating circuit.
На фиг.3а, 3b, 3с представлены схемы, иллюстрирующие состояния включения элементов преобразователя, выполненного в соответствии с заявкой WO 2006/079985 А2 (3).On figa, 3b, 3C presents a diagram illustrating the state of inclusion of the elements of the Converter, made in accordance with the application WO 2006/079985 A2 (3).
На фиг.4а, 4b, 4с приведены временные диаграммы выходного напряжения и тока инвертора, а также напряжения на конденсаторе резонансного колебательного LC-контура в преобразователе, выполненном в соответствии с заявкой WO 2006/079985 А2 (3).On figa, 4b, 4C shows the timing diagram of the output voltage and current of the inverter, as well as the voltage across the capacitor of the resonant oscillating LC circuit in the Converter, made in accordance with the application WO 2006/079985 A2 (3).
На фиг.5а, 5b, 5c, 5d представлены временные диаграммы сигналов, управляющих включением и выключением полупроводниковых ключей инвертора, а также временные диаграммы выходного напряжения и тока инвертора, а также напряжения на конденсаторе LC-контура в заявляемом преобразователе с фильтрокомпенсирующей цепью.On figa, 5b, 5c, 5d presents a timing diagram of the signals that control the on and off semiconductor switches of the inverter, as well as timing diagrams of the output voltage and current of the inverter, as well as the voltage across the capacitor of the LC circuit in the inventive filter-compensated converter circuit.
На фиг.6а, 6b, 6c, 6d представлены схемы, иллюстрирующие состояния включения элементов и пути протекания токов в заявляемом преобразователе с фильтрокомпенсирующей цепью.On figa, 6b, 6c, 6d presents a diagram illustrating the state of the inclusion of elements and the path of the flow of currents in the inventive Converter with filter filter circuit.
На фиг. 7а и 7b представлены два из множества возможных вариантов выполнения преобразователя с фильтрокомпенсирующей цепью.In FIG. 7a and 7b show two of the many possible embodiments of a filter-compensating converter.
Ниже приведена краткая характеристика устройства и работы преобразователя, выполненного в соответствии с заявкой WO 2006/079985 А2 (3).Below is a brief description of the device and the operation of the Converter, made in accordance with the application WO 2006/079985 A2 (3).
Схема преобразователя постоянного напряжения, выполненного в соответствии с техническим решением (3) представлена на фиг.1.The circuit of the DC-DC converter, made in accordance with the technical solution (3) is presented in figure 1.
Преобразователь постоянного напряжения источника электроэнергии в постоянное напряжение для питания электропотребителей, выполненный в соответствии с техническим предложением (3), включает в себя: устройство для преобразования постоянного напряжения источника электроэнергии в переменное напряжение повышенной частоты f, содержащее мостовой инвертор 1, выполненный по схеме однофазного моста, каждое из двух плеч которого образовано верхним и нижним управляемыми вентилями с обратной проводимостью, например IGBT, подключенными последовательно. На фиг.1 вентили инвертора представлены в виде полупроводниковых ключей (транзисторов) 2, 3, 4 и 5. К выводам постоянного тока «-» и «+» инвертора 1, предназначенным для подключения к упомянутому источнику электроэнергии, подключен конденсатор 6 фильтра. К выводам переменного тока инвертора 1 последовательно с резонансным колебательным LC-контуром, состоящим из дросселя 7 (индуктивный элемент) и конденсатора 8 (емкостной элемент), подключена первичная обмотка трансформатора 9. К вторичной обмотке трансформатора 9 подключен высоковольтный мостовой выпрямитель 10 с открытым выходом, состоящий из вентилей 11, 12, 13, 14 и выходного фильтрующего конденсатора 15, подключенного к выходам постоянного тока выпрямителя 10.The converter of direct voltage of an electric power source to direct voltage for power supply of electric consumers, made in accordance with technical proposal (3), includes: a device for converting direct voltage of an electric power source to alternating voltage of increased frequency f, containing a
Каждый из вентилей 11, 12, 13, 14 может состоять из нескольких полупроводниковых диодов, соединенных соответственно значению выходного напряжения (как правило, последовательно). Конденсатор 15 также может быть образован соответствующим подключением нескольких конденсаторов. В схеме имеются устройства управления (на схеме не показаны). Схема спроектирована и работает таким образом, что колебательный резонансный LC-контур, настроен на частоту второй гармоники вышеупомянутой повышенной частоты f.Each of the
При работе инвертора 1 с подключенной к нему цепью, состоящей из последовательно соединенных дросселя 7, конденсатора 8 (резонансный колебательный LC-контур) и первичной обмотки трансформатора 9, в соответствии с техническими решениями (2) и (3), для формирования тока I первичной обмотки трансформатора 9 используются три состояния включения элементов инвертора 1.When operating the
Первое состояние, условно назовем его «проводящее состояние» (см. фиг.3а), предполагает включение ключей 2 и 4 (проводящее состояние) для положительной полуволны среднего значения тока I первичной обмотки трансформатора 9 и ключей 3 и 5 для отрицательной полуволны среднего значения тока I первичной обмотки трансформатора 9. Отмеченное состояние представлено на временной диаграмме фиг.4а и 4b и занимает отрезок времени Т1 на полупериоде, равном 1/(2·f), соответствующем частоте f переключения ключевых элементов инвертора 1.The first state, conventionally called its “conducting state” (see figa), involves the inclusion of
Второе состояние, условно назовем его «состояние рекуперации тока» (см. фиг.3b), реализуется при выключении ключей 2 и 4 для положительной полуволны тока I (или 3 и 5 для отрицательной полуволны тока I). Ему соответствует отрезок времени Т2 на фиг.4а. Ток I первичной обмотки трансформатора 9 в этом состоянии заряжает конденсатор 6, проходя через обратные диоды транзисторов 3 и 5 для положительной полуволны тока I (или через обратные диоды транзисторов 2 и 4 для отрицательной полуволны тока I).The second state, let's call it “current recovery state” (see fig. 3b), is realized when the
Третье состояние, условно назовем его «состояние зануления тока» (ему соответствует отрезок времени Т2 на фиг.4b), возникает при выключении одного из транзисторов, например, транзистора 2. Поскольку в инверторе 1 преобразователя, выполненного в соответствии с техническими решениями (2) и (3), ток в течение полупериода носит колебательный характер, для обеспечения протекания тока в отрицательном направлении через некоторое время после выключения транзистора 2 включают транзистор 3. Контур тока при его положительном направлении показан на фиг.3с. Ток проходит через транзистор 4 и обратный диод транзистора 3. Контур тока при его отрицательном направлении (на фиг.3с не показано) совпадает с контуром тока при его положительном направлении с тем отличием, что ток проходит через транзистор 3 и обратный диод транзистора 4.The third state, let's call it “current zeroing state” (it corresponds to the time interval T2 in Fig. 4b), occurs when one of the transistors, for example,
В соответствии с техническими решениями (2) и (3) при работе мостового инвертора 1 с изменяемой выходной мощностью используются различные сочетания вышеуказанных состояний. На фиг.4а, 4b, 4с приведены временные диаграммы выходного напряжения Uab и тока I инвертора 1, а также напряжения Uc на конденсаторе 8 в режимах с различным уровнем выходной мощности преобразователя.In accordance with technical solutions (2) and (3), when using a
В режиме небольшой выходной мощности регулируют длительность проводящего состояния Т1 ключей 2 и 4 (или 3 и 5). Так, например, на фиг.4а в конце отрезка времени Т1 ключи 2 и 4 (или 3 и 5 для отрицательной полуволны) выключают. Начинается состояние рекуперации с длительностью Т2. Ток I первичной обмотки трансформатора 9 в этом состоянии, спадая, заряжает конденсатор 6, проходя через обратные диоды транзисторов 3 и 5 для положительной полуволны тока I (или через обратные диоды транзисторов 2 и 4 для отрицательной полуволны тока I). В момент перехода тока I через нулевое значение начинается состояние рекуперации при обратном направлении тока I (вследствие колебательности процесса) с длительностью Т3. В этом состоянии ток I имеет форму полусинусоиды и проходит через обратные диоды транзисторов 2 и 4 (или 3 и 5 для отрицательной полуволны). В конце интервала Т3 ток I спадает до нуля и полупериод заканчивается токовой паузой длительностью Т4. Аналогичные процессы происходят в другом полупериоде, отличаясь обратной полярностью.In the mode of small output power, the duration of the conductive state T1 of the
Во всех подобных режимах (при небольшой выходной мощности) регулируют длительность проводящего состояния Т1 ключей 2 и 4 (или 3 и 5) при неизменной частоте f переключения ключевых элементов инвертора 1, приблизительно равной половине резонансной частоты LC-контура.In all such modes (with a small output power), the duration of the conducting state T1 of the
В фазе Т2 вместо состояния рекуперации (как на фиг.4а) может использоваться состояние зануления как это представлено на фиг.4b.In phase T2, instead of the recovery state (as in FIG. 4a), a grounding state as shown in FIG. 4b can be used.
При работе мостового инвертора 1 с большим уровнем выходной мощности в соответствии с техническими решениями (2) и (3) длительность проводящего состояния Т1 ключей 2 и 4 (или 3 и 5) поддерживают максимальной, а уровень выходной мощности регулируют изменением частоты f. На фиг.4с приведены временные диаграммы выходного напряжения Uab и тока I инвертора 1, а также напряжения Uc на конденсаторе 8 в режиме с большим уровнем выходной мощности преобразователя. На фиг.4с показаны два полупериода выходного тока I инвертора 1, причем положительный полупериод тока обеспечивается включением ключей 2 и 4, а отрицательный - включением ключей 3 и 5. Как видно из фиг.4с в конце положительного полупериода тока I инвертора 1 формирование отрицательного полупериода тока I инвертора 1 (т.е. включение ключей 3 и 5) начинается в момент, когда в пределах положительного полупериода ток I имеет отрицательное значение. Это означает, что непосредственно перед включением ключей 3 и 5 (или одного из них) ток I в инверторе 1 протекает (см. фиг.1 и 3, причем на фиг.3 показан путь протекания положительных токов) через обратные диоды транзисторных ключей 2 и 4 (если используется состояние рекуперации тока) или через диод транзисторного ключа 2 и транзистор 5 или через диод транзисторного ключа 4 и транзистор 3 (если используется состояние зануления тока). При последующем включении транзисторов 3 и 5 (или одного из них), необходимом для формирования отрицательного полупериода тока I инвертора 1, происходит включение транзистора 3 на проводящий обратный диод транзистора 2 и включение транзистора 5 на проводящий обратный диод транзистора 4 этого же плеча, т.е. при включении транзистора через него протекает ток выключения (обратный ток) диода. Это вызывает появление дополнительных потерь при включении ("ON") транзисторов, что ухудшает КПД устройства.When the
Недостатком технического решения (3) также является то, что в течение каждого полупериода 1/(2·f), соответствующего частоте f переключения ключевых элементов инвертора 1, кривая выходного тока I инвертора 1 наряду с положительной полуволной содержит также и отрицательную полуволну. Для обеспечения необходимого уровня среднего за полупериод значения тока I положительная полуволна должна содержать составляющую, компенсирующую действие отрицательной полуволны. Это имеет следствием повышенную токовую загрузку полупроводниковых ключей 2, 3, 4, 5 и повышенное значение реактивной мощности, проходящей по элементам 7 и 8 LC-контура. Кроме того, как видно из диаграмм на фиг.4, в конце положительной полуволны тока I имеет место подъем напряжения Uc на конденсаторе 8, вследствие колебательного процесса в LC-контуре.The disadvantage of the technical solution (3) is that during each half-
Дополнительные потери, повышенные значения токов, напряжений и мощностей в ключевых элементах 2, 3, 4, 5 инвертора 1 и элементах 7 и 8 резонансного LC-контура приводят к необходимости увеличивать их установленные мощности, что отрицательно сказывается на массогабаритных и стоимостных показателях преобразователя.Additional losses, increased values of currents, voltages and powers in the
Преодолению указанных недостатков способствует заявляемое техническое решение.To overcome these shortcomings contributes to the claimed technical solution.
Устройство заявляемого технического решения в его статическом состоянии может быть описано по схеме на фиг.2. Как видно из сопоставления схем на фиг.1 и 2, основным и, как показано ниже, существенным отличием заявляемого технического решения является подключение конденсатора 8 колебательного резонансного LC-контура параллельно вторичной обмотке трансформатора 9. При таком подключении эффективно устраняется возможность возникновения высокочастотных колебаний произвольной частоты и амплитуды - «звона», поскольку параллельно небольшой паразитной емкости 16 (на фиг.1), величина которой зависит от состояния изоляции трансформатора 9 подключается большая емкость конденсатора 8, определяющая режим работы цепи вторичной обмотки трансформатора 9. В этом случае, как показано ниже, LC-контур может быть охарактеризован термином «фильтрокомпенсирующая цепь». Кроме того, существенной особенностью заявляемого технического решения является то, что параметры колебательного резонансного LC-контура таковы, что оптимальное значение его резонансной частоты равно частоте второй гармоники вышеупомянутого переменного напряжения повышенной частоты, а волновое сопротивление колебательного резонансного LC-контура обеспечивает протекание номинального тока нагрузки при минимальном напряжении источника электроэнергии.The device of the claimed technical solution in its static state can be described according to the scheme in figure 2. As can be seen from the comparison of the circuits in Figs. 1 and 2, the main and, as shown below, significant difference of the claimed technical solution is the connection of the
Работа заявляемого преобразователя с фильтрокомпенсирующей цепью иллюстрируется при помощи фиг.5 и 6. На фиг.5 представлены временные диаграммы сигналов g2, g3, g4, g5, управляющих включением и выключением соответствующих полупроводниковых ключей 2, 3, 4, 5 инвертора 1 (фиг.5а и 5с), а также временные диаграммы выходного напряжения Uab и тока I инвертора 1, а также напряжения Uc на конденсаторе 8. На фиг.6а, 6b, 6с, 6d представлены схемы, иллюстрирующие состояния включения элементов и пути протекания токов в преобразователе.The operation of the inventive converter with a filter compensating circuit is illustrated using FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows timing diagrams of the signals g2, g3, g4, g5 controlling the on and off of the
В заявляемом преобразователе с фильтрокомпенсирующей цепью состояния включения элементов инвертора подобны таковым в инверторе технического решения (3), однако электромагнитные процессы отличаются.In the inventive converter with a filter compensating circuit, the switching states of the inverter elements are similar to those in the inverter of the technical solution (3), however, the electromagnetic processes are different.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Полупроводниковые ключи инвертора 1 работают на частоте f ниже резонансной частоты LC-контура. Частота f равна приблизительно половине резонансной частоты LC-контура. В начале полупериода, равного 1/(2·f), открываются транзисторы (например, 2 и 4) инвертора 1 (интервал t1 на фиг.5b, 5d). Происходит возрастание тока I инвертора 1 и накопление энергии в дросселе 7. В начале интервала t1 ток возрастает форсированно вследствие того, что напряжение конденсатора 8, до которого он зарядился в конце предыдущего периода, совпадает по знаку с входным напряжением. Конденсатор 8 перезаряжается. При этом напряжение на нем меньше выходного напряжения выпрямителя 10, определяемого конденсатором 15, и диоды 11, 12, 13 и 14 выпрямителя 10 закрыты. Контуры протекания токов в преобразователе для интервала времени t1 изображены на фиг.6а. В конце интервала времени t1 напряжение на конденсаторе 8 становится равным (немного больше на величину падения на диодах выпрямителя 10) выходному (напряжению на конденсаторе 15). Соответствующие знаку напряжения на конденсаторе 8 диоды выпрямителя 10 открываются и ток проходит в нагрузку. В продолжение интервала времени t2 ток I инвертора 1 остается постоянным или несколько возрастает (см. фиг.5b, 5d) в зависимости от принятых расчетных параметров схемы. Соответственно энергия, запасенная в дросселе 7, остается постоянной или возрастает. Контуры протекания токов в преобразователе для интервала времени t2 изображены на фиг.6b. В конце интервала времени t2 один из транзисторов (например, транзистор 2) выключается, схема переходит в состояние зануления тока, которое продолжается в течение интервала времени t3 (см. фиг.5b, 5d). Контуры протекания токов в преобразователе для интервала времени t3 изображены на фиг.6с. Энергия в нагрузку поступает за счет энергии, запасенной в дросселе 7.The inventive device operates as follows. The semiconductor switches of the
В зависимости от режима работы преобразователя, определяемого уровнем мощности нагрузки, возможен режим прерывистых токов или граничный режим.Depending on the operating mode of the converter, determined by the load power level, intermittent current mode or boundary mode is possible.
В начале интервала t3 схема переводится в состояние зануления тока, затем система управления, действуя по методу «условного прогноза рассогласования» (а.с. СССР №1480066, 15.05.89, Бюл. №18), определяет длительность интервала времени t4, в течение которого ток I инвертора 1 должен спасть до нуля (см. фиг.5d), с тем, чтобы в конце периода осталось «мертвое время» для исключения режима сквозного замыкания плеча инвертора 1.At the beginning of the interval t3, the circuit goes into a state of zero current, then the control system, acting according to the method of “conditional prediction of mismatch” (USSR AS No. 1480066, 05/15/89, Bull. No. 18), determines the duration of the time interval t4, during of which the current I of the
При малой выходной мощности в начале интервала t3 схема переводится в состояние зануления тока, которое сохраняется до конца интервала t3, ток I инвертора 1 спадает до нуля и возникает пауза тока I длительностью t4 (см. фиг.5b), значительно превосходящая по длительности «мертвое время» (режим прерывистых токов).With a small output power at the beginning of the interval t3, the circuit is transferred to the current zero state, which remains until the end of the interval t3, the current I of the
При значительной выходной мощности, если система управления определяет, что интервал времени t4 окажется слишком велик и не останется запаса на «мертвое время», то система управления вычисляет момент времени, в который схема должна быть переведена в состояние рекуперации и в этот момент выключает все транзисторы. Это приводит к более резкому спаданию тока I и сокращению интервала времени t4, что позволяет обеспечить запас времени («мертвое время») на выключение полупроводниковых ключей, формирующих предшествующий полупериод тока I перед включением полупроводниковых ключей, формирующих последующий полупериод тока I. На фиг.5d интервал времени, соответствующий мертвому времени, не показан.With a significant output power, if the control system determines that the time interval t4 is too long and there is no margin for “dead time”, the control system calculates the point in time at which the circuit must be transferred to the recovery state and at that moment turn off all transistors . This leads to a sharper decrease in current I and a shortening of the time interval t4, which allows providing a margin of time ("dead time") for switching off the semiconductor switches that form the previous half-cycle of current I before turning on the semiconductor switches that form the next half-cycle of current I. In Fig.5d the time interval corresponding to dead time is not shown.
Контуры протекания токов в преобразователе для интервала времени t4 изображены на фиг.6d.The contours of the flow of currents in the Converter for the time interval t4 shown in Fig.6d.
Аналогичные процессы происходят в другом полупериоде, отличаясь обратной полярностью.Similar processes occur in another half-cycle, differing in reverse polarity.
Как видно из фиг.5b и 5d на протяжении полупериода исключается смена направления протекания тока I инвертора 1 и перезаряд конденсатора 8. Это обеспечивает существенное уменьшение значений токов, напряжений и мощностей в ключевых элементах 2, 3, 4, 5 инвертора 1 и элементах 7 и 8 резонансного LC-контура в сравнении с техническим решением (3).As can be seen from FIGS. 5b and 5d, during the half-cycle, a change in the direction of current flow I of the
В предложенном техническом решении исключены случаи включения какого-либо транзистора инвертора 1 на проводящий навстречу ему диод, как это имеет место в известном техническом решении (3).In the proposed technical solution, cases of turning on an
Таким образом, предложенный преобразователь с фильтрокомпенсирующей цепью позволяет существенно уменьшить установленные мощности элементов преобразователя и, как следствие, уменьшить массогабаритные и стоимостные показатели преобразователя.Thus, the proposed converter with a filter-compensating circuit can significantly reduce the installed power of the converter elements and, as a result, reduce the overall dimensions and cost parameters of the converter.
Для конкретных применений схема преобразователя с фильтрокомпенсирующей цепью, представленная на фиг.2, в зависимости от значений выходного напряжения и мощности может быть модифицирована в различных вариантах. В зависимости от мощности может применяться различное число инверторов 1 с дросселями 7 и трансформаторов 9. В зависимости от требуемого выходного напряжения может варьироваться количество выпрямителей 10 с открытым выходом, соединенных последовательно и соответственно варьироваться количество вторичных обмоток трансформаторов 9 с форсирующими емкостями 8. Также может изменяться схема выпрямителя 10 с открытым выходом: мостовой выпрямитель (как на фиг.2), выпрямитель по схеме удвоения, учетверения и т.д. Два из множества упомянутых вариантов выполнения преобразователя с фильтрокомпенсирующей цепью представлены на фиг.7а и b.For specific applications, the filter-compensating converter circuit shown in FIG. 2 may be modified in various ways depending on the values of the output voltage and power. Depending on the power, a different number of
Источники информацииInformation sources
1. United States Patent №4680693, Jul., 14, 1987, Int. Cl. 4H02P 13/20. US С1. 363/98, 363/132. Continuous high DC voltage supply particularly for an X-ray e mitter tube. (Источник непрерывного постоянного высоковольтного напряжения преимущественно для рентгеновской трубки).1. United States Patent No. 4680693, Jul., 14, 1987, Int. Cl. 4
2. Заявка WO 01/37416 А2, (43) International Publication Date 25 May 2001, Int. C1. 7H02M 7/00, Power supply unit including an inverter (Источник электропитания, включающий в себя инвертор).2. Application WO 01/37416 A2, (43) International Publication Date 25 May 2001, Int. C1. 7
3. Заявка WO 2006/079985 А2, (43) International Publication Date 3 August 2006, (51) Int. Patent Classification: Not classified, Power supply and method for operating a power supply (Источник электропитания и способ управления им).3. Application WO 2006/079985 A2, (43)
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007130622/09A RU2335841C1 (en) | 2007-08-10 | 2007-08-10 | High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007130622/09A RU2335841C1 (en) | 2007-08-10 | 2007-08-10 | High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2335841C1 true RU2335841C1 (en) | 2008-10-10 |
Family
ID=39927961
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007130622/09A RU2335841C1 (en) | 2007-08-10 | 2007-08-10 | High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2335841C1 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459342C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Resonant converter of dc voltage into dc and ac and method to control its output voltage |
RU2464692C1 (en) * | 2011-08-19 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Voltage converter (versions) |
RU2564679C1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-10-10 | Борис Александрович Глебов | Voltage converter of resonant type |
RU2572002C1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-12-27 | Борис Александрович Глебов | Voltage converter control method |
RU2629748C2 (en) * | 2015-11-18 | 2017-09-01 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Power supply system of impulse power amplifier |
RU2631664C2 (en) * | 2012-06-19 | 2017-09-26 | Конинклейке Филипс Н.В. | Control modes for resonant dc converter |
RU2678774C2 (en) * | 2015-12-30 | 2019-02-01 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Dc-to-dc voltage converter |
RU2705090C2 (en) * | 2015-06-09 | 2019-11-05 | Констрюксьон Электроник Плюс Телекоммюникасьон | Double-bridge dc-to-dc power converter |
-
2007
- 2007-08-10 RU RU2007130622/09A patent/RU2335841C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459342C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Resonant converter of dc voltage into dc and ac and method to control its output voltage |
RU2464692C1 (en) * | 2011-08-19 | 2012-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" | Voltage converter (versions) |
RU2631664C2 (en) * | 2012-06-19 | 2017-09-26 | Конинклейке Филипс Н.В. | Control modes for resonant dc converter |
RU2564679C1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-10-10 | Борис Александрович Глебов | Voltage converter of resonant type |
RU2572002C1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-12-27 | Борис Александрович Глебов | Voltage converter control method |
RU2705090C2 (en) * | 2015-06-09 | 2019-11-05 | Констрюксьон Электроник Плюс Телекоммюникасьон | Double-bridge dc-to-dc power converter |
RU2705090C9 (en) * | 2015-06-09 | 2019-12-18 | Констрюксьон Электроник Плюс Телекоммюникасьон | Double-bridge dc-to-dc power converter |
RU2629748C2 (en) * | 2015-11-18 | 2017-09-01 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Power supply system of impulse power amplifier |
RU2678774C2 (en) * | 2015-12-30 | 2019-02-01 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" | Dc-to-dc voltage converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2335841C1 (en) | High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power | |
Jung et al. | High efficiency bidirectional LLC resonant converter for 380V DC power distribution system using digital control scheme | |
US6744643B2 (en) | Push-pull booster circuit with a pair of inductors for coupling | |
US10833594B2 (en) | System and method of controlling a power converter having an LC tank coupled between a switching network and a transformer winding | |
CN105932880B (en) | The control based on magnetizing current of resonance converter | |
JP5851024B2 (en) | Step-up converter | |
CN111542999B (en) | Power conversion device | |
US9906169B1 (en) | DC-AC conversion circuit having a first double ended DC pulse stage and a second AC stage | |
JP5547603B2 (en) | Power supply | |
JP6049861B2 (en) | DC / DC converter | |
CN109964537A (en) | High-frequency high power converter system | |
EP2966771A1 (en) | Single-phase inverter | |
JP2014054121A (en) | Switching power supply | |
CN115868105A (en) | Soft switching pulse width modulation DC-DC power converter | |
CN104115387A (en) | DC-DC conversion device | |
AU2012342823A1 (en) | Double rectifier for multi-phase contactless energy transfer system | |
KR101377124B1 (en) | An isolated single switch resonant converter and an isolated interleaving single switch resonant converter using the same | |
RU2504129C1 (en) | Device to convert energy of static electricity | |
y Rosas et al. | Single stage insulated bidirectional DC/AC converter with phase shift modulation, design and control | |
CN104115386A (en) | DC-DC conversion device | |
US20230071003A1 (en) | Power factor correction circuits controlled using adjustable deadtime | |
Mary et al. | Design of new bi-directional three phase parallel resonant high frequency AC link converter | |
KR100420962B1 (en) | Half-bridge converter with high power factor | |
Wei et al. | A novel approach for achieving ZVS operation in class-D ZVS inverter | |
RU2447571C1 (en) | Converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150811 |