RU2490774C1 - Power commutation switch - Google Patents
Power commutation switch Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490774C1 RU2490774C1 RU2012131849/07A RU2012131849A RU2490774C1 RU 2490774 C1 RU2490774 C1 RU 2490774C1 RU 2012131849/07 A RU2012131849/07 A RU 2012131849/07A RU 2012131849 A RU2012131849 A RU 2012131849A RU 2490774 C1 RU2490774 C1 RU 2490774C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- circuit
- key
- current
- voltage
- switch
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано в схемах импульсных регуляторов, инверторов и активных выпрямителей.The invention relates to power electronics, in particular to converters with reduced dynamic losses in power semiconductor switches and can be used in circuits of switching regulators, inverters and active rectifiers.
Известна схема преобразователя, в которой с помощью элементов резонансного LC контура обеспечивается мягкое включение транзисторов при нулевом напряжении (см. патент США №4720668, опубл. 19.01.1988).There is a known converter circuit in which, using elements of a resonant LC circuit, the transistors are gently turned on at zero voltage (see US Patent No. 4,720,668, publ. 01/19/1988).
Недостатком данного решения является то, что интервал паузы в схеме является фиксированным. При этом регулирование выходного напряжения и мощности в схеме можно производить только за счет изменения частоты коммутации.The disadvantage of this solution is that the pause interval in the circuit is fixed. In this case, the regulation of the output voltage and power in the circuit can only be done by changing the switching frequency.
Наиболее близким по технической сути является решение (см. патент США №5262930, опубл. 16.11.1993), включающее силовой коммутатор с параллельно присоединенным к нему резонансным дросселем. Подключение силового коммутатора с параллельным резонансным дросселем последовательно с основным ключом преобразователя обеспечивает мягкую коммутация основного ключа при нулевом напряжении и снижает энергию динамических потерь в схеме. При этом в схеме используется широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и мощности при постоянной частоте коммутации. Однако процесс выключения при нулевом напряжении не позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь в мощных силовых коммутаторах с биполярным механизмом передачи тока (IGBT, GTO, IGCT). Для практического применения подобного решения требуется существенное замедление скорости изменения напряжения на основном ключе за счет подключения к его выходной цепи внешнего конденсатора относительно большой емкости.The closest in technical essence is the solution (see US patent No. 5262930, publ. 16.11.1993), including a power switch with a resonant inductor connected in parallel to it. Connecting a power switch with a parallel resonant inductor in series with the main switch of the converter provides soft switching of the main switch at zero voltage and reduces the energy of dynamic losses in the circuit. Moreover, the circuit uses pulse-width control of the output voltage and power at a constant switching frequency. However, the shutdown process at zero voltage does not allow to effectively reduce the energy of dynamic losses in powerful power switches with a bipolar current transfer mechanism (IGBT, GTO, IGCT). For the practical application of such a solution, a significant slowdown in the rate of change of voltage on the main key is required by connecting a relatively large capacitor to its output circuit of an external capacitor.
Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в следующем:The technical result of the device of the present invention is as follows:
1. Один вспомогательный силовой коммутатор с резонансным LLC контуром может использоваться для мягкой коммутации сразу двух ключевых элементов преобразователя: основного ключа и ему противофазного.1. One auxiliary power switch with a resonant LLC circuit can be used for soft switching of two key elements of the converter at once: the main key and the antiphase one.
2. Подключение параллельно вспомогательному силовому коммутатору дополнительного конденсатора позволяет обеспечить предварительный разряд выходной емкости и отпирание основных ключей преобразователя при нулевом напряжении.2. Connecting an additional capacitor in parallel with the auxiliary power switch allows you to pre-discharge the output capacitance and unlock the main keys of the converter at zero voltage.
3. Подключение последовательно со вспомогательным силовым коммутатором дополнительного дросселя позволяет обеспечить плавное изменение тока в контуре коммутации и запирание основных ключей преобразователя при нулевом токе, что, в отличие от ближайшего аналога, исключает применение дополнительных конденсаторов относительно большой емкости, подключаемых параллельно к каждому из основных ключей.3. Connecting an additional inductor in series with the auxiliary power switch allows you to provide a smooth change in current in the switching circuit and lock the main keys of the converter at zero current, which, unlike the closest analogue, eliminates the use of additional capacitors of relatively large capacity, connected in parallel to each of the main keys .
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в силовом коммутаторе, содержащем ключ с параллельно присоединенным к нему дросселем, причем один из выводов ключа образует первый силовой вывод коммутатора, в соответствии с настоящим изобретением параллельно к ключу присоединен конденсатор, а последовательно - дополнительный дроссель, свободный вывод которого образует второй силовой вывод коммутатора.This technical result is achieved due to the fact that in a power switch containing a key with a throttle connected in parallel with it, one of the key leads forms the first power lead of the switch, in accordance with the present invention, a capacitor is connected in parallel with the key, and an additional choke is connected in series, free the output of which forms the second power output of the switch.
При этом точка соединения ключа с дополнительным дросселем может образовывать дополнительный силовой вывод коммутатора.In this case, the connection point of the key with the additional inductor can form an additional power output of the switch.
Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.The invention is illustrated by the attached drawings, in which the same elements are denoted by the same reference numerals.
На Фиг.1 представлен силовой коммутатор в соответствии с изобретением.Figure 1 presents the power switch in accordance with the invention.
На Фиг.2 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 с дополнительным силовым выводом.Figure 2 presents the power switch of figure 1 with an additional power output.
На Фиг.3 представлена схема ближайшего аналога.Figure 3 presents a diagram of the closest analogue.
На Фиг.4 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 при его подключении к базовому контуру коммутации последовательно с основным ключом.Figure 4 presents the power switch of Figure 1 when it is connected to the base switching circuit in series with the main key.
На Фиг.5 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.4.Figure 5 presents the main oscillograms of the processes of soft switching for the circuit of Figure 4.
На Фиг.6 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 при его подключении к базовому контуру коммутации последовательно с противофазным диодом.Figure 6 presents the power switch of Figure 1 when it is connected to the base switching circuit in series with an antiphase diode.
На Фиг.7 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.6.In Fig.7 presents the main oscillograms of the processes of soft switching for the circuit of Fig.6.
На Фиг.8 представлен силовой коммутатор по Фиг.2 при его подключении к базовому контуру коммутации с дополнительным дросселем, включенным последовательно с противофазным диодом.On Fig presents the power switch of figure 2 when it is connected to the basic circuit switching with an additional inductor connected in series with the antiphase diode.
На Фиг.9 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.8.Figure 9 presents the main oscillograms of the processes of soft switching for the circuit of Fig. 8.
На Фиг.10 представлен силовой коммутатор по Фиг.2 при его подключении к базовому контуру коммутации с дополнительным дросселем, включенным последовательно с основным ключом.Figure 10 presents the power switch of Figure 2 when it is connected to the base switching circuit with an additional inductor, connected in series with the main key.
На Фиг.11 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.10.Figure 11 presents the main waveforms of soft switching processes for the circuit of Figure 10.
На Фиг.12 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).Figure 12 presents the power switch of Figure 1, connected in series with the power switch of the DC / DC converter (step-up pulse regulator).
На Фиг.13 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).In Fig.13 presents the power switch of Fig.1, connected in series with the antiphase diode of the DC / DC converter (step-up pulse regulator).
На Фиг.14 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, в котором дополнительный дроссель подключен последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).On Fig presents the power switch of figure 2, in which the additional inductor is connected in series with the power switch of the DC / DC converter (step-up regulator).
На Фиг.15 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, в котором дополнительный дроссель подключен последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).On Fig presents the power switch of figure 2, in which the additional inductor is connected in series with the antiphase diode of the DC / DC converter (boost pulse regulator).
На Фиг.16 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора напряжения.In Fig.16 presents the power switch of Fig.1, connected to a DC circuit of a voltage inverter.
На Фиг.17 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения.On Fig presents the power switch of figure 1, connected to a DC circuit of an active voltage rectifier.
На Фиг.18 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора.On Fig presents the power switch of figure 1, connected to the DC circuit of the current inverter in series with unidirectional keys of the key block of the inverter.
На Фиг.19 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с дополнительным ключом.In Fig.19 presents the power switch of Fig.1, connected to the DC circuit of the current inverter in series with an additional key.
На Фиг.20 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора).Figure 20 shows the power switch of Figure 2, connected to the DC circuit of the current inverter (an additional inductor is connected in series with the unidirectional keys of the inverter key block).
На Фиг.21 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с дополнительным ключом).On Fig presents the power switch of figure 2, connected to the DC circuit of the current inverter (additional choke is connected in series with an additional key).
На Фиг.22 представлено три силовых коммутатора по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с ключами катодной группы инвертора.On Fig presents three power switch of figure 1, connected to the AC circuit of the voltage inverter in series with the keys of the cathode group of the inverter.
На Фиг.23 представлено три силовых коммутатора по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с ключами анодной группы инвертора.On Fig presents three power switch of figure 1, connected to the AC circuit of the voltage inverter in series with the keys of the anode group of the inverter.
На Фиг.24 представлено три силовых коммутатора по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами катодной группы инвертора).On Fig presents three power switch of Figure 2, connected to the AC circuit of the voltage inverter (additional chokes are connected in series with the keys of the cathode group of the inverter).
На Фиг.25 представлено три силовых коммутатора по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами анодной группы инвертора).On Fig presents three power switch of figure 2, connected to the AC circuit of the voltage inverter (additional chokes are connected in series with the keys of the anode group of the inverter).
Устройство (Фиг.1) содержит: ключ 1, дроссель 2, конденсатор 3 и дополнительный дроссель 4. На чертежах показаны также первый силовой вывод 5 и второй силовой вывод 6.The device (FIG. 1) contains: a
Дроссель 2 и конденсатор 3 включены параллельно ключу 1, дополнительный дроссель 4 включен последовательно с ключом 1, при этом положительный вывод ключа 1 образует первый силовой вывод 5, а свободный вывод дополнительного дросселя 4 образует второй силовой вывод 6.The
Как показано на Фиг.2, точка соединения ключа 1 с дополнительным дросселем 4 образует дополнительный силовой вывод 7 устройства.As shown in figure 2, the connection point of the
Предложенное устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.
Рассмотрим работу силового коммутатора при его подключении к базовому контуру коммутации, к схеме которого сводятся контуры коммутации тока в регуляторах напряжения, инверторах и активных выпрямителях (Фиг.4). Данная схема содержит основной ключ S со встречно-параллельным диодом, противофазный диод D, источник J тока и источник Е напряжения. Силовой коммутатор с резонансным LLC контуром в соответствии с изобретением подключается последовательно к основному ключу S. Элементы резонансного LLC контура имеют следующие параметры: дроссель 2 - индуктивность L2; конденсатор 3 - емкость С3; дополнительный дроссель 4 - индуктивность L4.Consider the work of the power switch when it is connected to the basic switching circuit, to the circuit of which the current switching circuits in voltage regulators, inverters and active rectifiers are reduced (Figure 4). This circuit contains a main switch S with an anti-parallel diode, an antiphase diode D, a current source J and a voltage source E. The power switch with a resonant LLC circuit in accordance with the invention is connected in series to the main key S. Elements of the resonant LLC circuit have the following parameters:
В начальный момент времени основной ключ S выключен, а силовой коммутатор 1 включен, и через него замыкается начальный ток дросселя 2, равный величине I0. Значение I0 будет определено далее. Соответственно состоянию ключей напряжение на конденсаторе 3 и ток дополнительного дросселя 4 равны нулю. Ток J нагрузки замыкается через противофазный диод D.At the initial moment of time, the main switch S is turned off, and the
Представим основные интервалы мягкой коммутации тока нагрузки от диода D на ключ S и обратно.Imagine the main intervals of soft switching of the load current from the diode D to the key S and vice versa.
Выключение ключа 1 при нулевом напряжении и включение основного ключа S при нулевом напряжении.Turning off
Снятием сигнала управления выключают ключ 1, который за счет параллельно включенного конденсатора 3 выключается при нулевом напряжении. При этом ток дросселя 2 начинает заряжать конденсатор 3:By removing the control signal, turn off the
где
Тогда напряжение на основном ключе S изменяется в соответствии с формулой:Then the voltage on the main key S changes in accordance with the formula:
Если выполняется условие:If the condition is met:
основной ключ S может быть включен при нулевом напряжении за счет спада напряжения UC3(t) до нулевого уровня через интервал времени:the main switch S can be turned on at zero voltage due to the voltage drop U C3 (t) to zero level after a time interval:
Включение ключа 1 при нулевом напряжении.Turn on
После включения основного ключа S в работу вступает дополнительный дроссель 4, при этом изменяется резонансная частота в LLC контуре, которая становится равной:After turning on the main key S, an
где
Напряжение на конденсаторе 3 будет изменяться в соответствии с формулой:The voltage across the
где
При условии:Provided:
ключ 1 можно включить при нулевом напряжении через интервал времени:key 1 can be turned on at zero voltage after a time interval:
В конце данного интервала ток дросселя 2 спадает практически до нуля, а в основном ключе S появляется отрицательный ток ΔI1, протекающий через встречно-параллельный диод ключа S:At the end of this interval, the current of the
Линейное нарастание тока в основном ключе S и выключение противофазного диода при нулевом токе.A linear increase in current in the main key S and turn off the antiphase diode at zero current.
После включения ключа 1 ток основного ключа S будет изменяться по линейному закону:After turning on the
Через интервал времени Δt3 ток основного ключа S достигает значения тока нагрузки, а противофазный диод D запирается при нулевом токе:After a time interval Δt 3, the current of the main switch S reaches the value of the load current, and the antiphase diode D is locked at zero current:
Далее ток J нагрузки протекает через основной ключ S, находящийся во включенном состоянии в течение интервала проводимости.Next, the load current J flows through the main switch S, which is in the on state during the conduction interval.
Выключение ключа 1 при нулевом напряжении и включение противофазного диода D при нулевом токе.Turning off key 1 at zero voltage and turning on the out-of-phase diode D at zero current.
Снятием сигнала управления выключают ключ 1, который за счет параллельного конденсатора 3 выключается при нулевом напряжении. При этом напряжение на конденсаторе 3 изменяется в соответствии с формулой:By removing the control signal, turn off the
Через интервал времени Δt4 напряжение UC3(t) возрастает до напряжения Е источника, и противофазный диод D включается при нулевом токе, поскольку ток нагрузки по-прежнему протекает через дополнительный дроссель 4 и основной ключ S. Значение Δt4 можно определить по формуле:After a time interval Δt 4, the voltage U C3 (t) rises to the voltage E of the source, and the antiphase diode D turns on at zero current, since the load current still flows through the
Через интервал времени Δt4 ток дросселя 2 возрастает до значения:After a time interval Δt 4, the current of the
Выключение основного ключа S при нулевом токе.Turn off the main key S at zero current.
После включения противофазного диода LLC контур подключается к источнику Е напряжения.After turning on the LLC anti-phase diode, the circuit is connected to the voltage source E.
При этом напряжение на конденсаторе 3 начинает изменяться в соответствии с формулой:In this case, the voltage across the
Ток в дросселе 2 изменяется в соответствии с формулой:The current in the
Ток в дополнительном дросселе 4 и основном ключе S изменяется в соответствии с формулой:The current in the
Если выполняется условие:If the condition is met:
ток дополнительного дросселя 4 достигает нулевого значения, и основной ключ S можно выключить при нулевом токе.the current of the
На данном интервале в основном ключе S появляется отрицательный ток, протекающий через его встречно-параллельный диод. Амплитуда отрицательного тока определяется выражением:In this interval, a negative current appears in the main key S, flowing through its counter-parallel diode. The amplitude of the negative current is determined by the expression:
Длительность интервала выключения основного ключа S при нулевом токе определяется формулой:The duration of the shutdown interval of the main key S at zero current is determined by the formula:
После выключения основного ключа S ток дросселя 2 увеличивается до значения:After turning off the main key S, the current of the
Отметим, что напряжение на конденсаторе 3 в конце интервала Δt5, спадает практически до нуля.Note that the voltage across the
Восстановление начальной энергии в LLC контуре и включение ключа 1 при нулевом напряжении.Recovery of the initial energy in the LLC circuit and the inclusion of
При выключенном основном ключе S и ключе 1 в параллельном LC контуре, образованном дросселем 2 и конденсатором 3, начинается колебательный процесс с частотой ω1:When the main key S and key 1 are off in a parallel LC circuit formed by the
При этом на конденсаторе 3 появляется отрицательное по отношению к ключу 1 напряжение. Через половину периода резонансной частоты ω1 напряжение на конденсаторе 3 спадает до нулевого значения, а ток дросселя 2 достигает начального значения IL2(Δt5), но с обратным знаком. Таким образом, в дросселе 2 восстанавливается начальное значение тока I0, с которого и начинался цикл коммутации:Thus on the
Очевидно, что импульс управления на ключ 1 необходимо подать в течение рассматриваемого полупериода, тогда по его окончании произойдет автоматическое включение ключа 1 при нулевом напряжении.Obviously, the control pulse for
После восстановления начальной энергии в LLC контуре можно начинать новый цикл коммутации и т.д.After restoring the initial energy in the LLC circuit, you can start a new switching cycle, etc.
Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для рассмотренного варианта представлены на Фиг.5, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:The main oscillograms of soft switching processes for the considered option are presented in Fig. 5, which were obtained using the circuit simulation program PSpice with the following circuit parameters:
Напряжение источника Е питания = 80 B.Supply voltage E = 80 V.
Ток J нагрузки = 40 A.Load current J = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.Choke 2 - inductance 6.5 μH.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.Choke 4 - inductance 1.0 μH.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.Capacitor 5 - 0.1 μF capacitance.
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.Channel 1: voltage on key S; 200 B / div
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.Channel 2: key current S; 100 A / div
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.Channel 3: voltage on
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.Channel 4: current of
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.Channel 5: inductor current 2; 100 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 4 мкс/дел.Time - 4 μs / div.
Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если силовой коммутатор с резонансным LLC контуром выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.6). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении силового коммутатора с резонансным LLC контуром в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта показаны на Фиг.7, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:The conditions of soft switching in the circuit do not change if the power switch with a resonant LLC circuit is removed from the serial connection circuit with the key S and connected in series to the antiphase diode circuit D (Figure 6). This statement follows from the fact that the system of equations describing the electrical processes in the circuit remains unchanged, and the current and voltage of the switch S when moving the power switch with a resonant LLC circuit into the circuit of the diode D are still independent variables. The main oscillograms of soft switching processes for this option are shown in Fig. 7, which were obtained using the circuit simulation program PSpice with the following circuit parameters:
Напряжение источника Е питания = 500 B.Supply voltage E = 500 V.
Ток J нагрузки = 40 A.Load current J = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.Choke 2 - inductance 6.5 μH.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.Choke 4 - inductance 1.0 μH.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.Capacitor 5 - 0.1 μF capacitance.
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.Channel 1: voltage on key S; 200 B / div
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.Channel 2: key current S; 100 A / div
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.Channel 3: voltage on
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.Channel 4: current of
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.Channel 5: inductor current 2; 100 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 4 мкс/дел.Time - 4 μs / div.
Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если дополнительный дроссель 4 выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.8). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении дополнительного дросселя 4 в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта представлены на Фиг.9, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:The soft switching conditions in the circuit do not change if the
Напряжение источника Е питания = 500 B.Supply voltage E = 500 V.
Ток J нагрузки = 40 A.Load current J = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.Choke 2 - inductance 6.5 μH.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.Choke 4 - inductance 1.0 μH.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.Capacitor 5 - 0.1 μF capacitance.
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.Channel 1: voltage on key S; 200 B / div
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.Channel 2: key current S; 100 A / div
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.Channel 3: voltage on
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.Channel 4: current of
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.Channel 5: inductor current 2; 100 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 4 мкс/дел.Time - 4 μs / div.
Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если ключ 1 с параллельно подключенными к нему дросселем 2 и конденсатором 3 выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.10). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении ключа 1 с параллельно подключенными к нему дросселем 2 и конденсатором 3 в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта представлены на Фиг.11, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:Soft switching conditions in the circuit do not change if the key 1 with the
Напряжение источника Е питания = 500 B.Supply voltage E = 500 V.
Ток J нагрузки = 40 A.Load current J = 40 A.
Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.Choke 2 - inductance 6.5 μH.
Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.Choke 4 - inductance 1.0 μH.
Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.Capacitor 5 - 0.1 μF capacitance.
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.Channel 1: voltage on key S; 200 B / div
Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.Channel 2: key current S; 100 A / div
Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.Channel 3: voltage on
Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.Channel 4: current of
Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.Channel 5: inductor current 2; 100 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 4 мкс/дел.Time - 4 μs / div.
Принцип работы силового коммутатора с резонансным LLC контуром не изменяется при применении различных типов ключей: биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT и др.The principle of operation of a power switch with a resonant LLC circuit does not change when using different types of keys: bipolar and field-effect transistors, thyristors, bipolar transistors with an insulated gate - IGBT, etc.
Далее рассмотрим варианты конкретного применения предложенного устройства.Next, we consider options for specific applications of the proposed device.
В преобразователях постоянного напряжения повышающего типа контур коммутации состоит из основного транзистора Т, противофазного ему диода D, источника напряжения на выходном фильтровом конденсаторе Сф и источника тока во входном дросселе Lф. Подключение силового коммутатора с резонансным LLC контуром в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.12, 13, 14, 15) позволяет обеспечить мягкую коммутацию ключевых элементов преобразователя.In step-up DC-DC converters, the switching circuit consists of a main transistor T, an antiphase diode D, a voltage source at the output filter capacitor Cf, and a current source in the input choke Lf. Connecting a power switch with a resonant LLC circuit in accordance with the present invention (Figs. 12, 13, 14, 15) allows for soft switching of the key elements of the converter.
На Фиг.12 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected in series with the power switch of the DC / DC converter (step-up regulator).
На Фиг.13 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of Fig.1, connected in series with the antiphase diode of the DC / DC converter (step-up regulator).
На Фиг.14 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, дополнительный дроссель подключен последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of Figure 2, an additional inductor is connected in series with the power switch of the DC / DC converter (step-up regulator).
На Фиг.15 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, дополнительный дроссель подключен последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of Figure 2, an additional inductor is connected in series with the antiphase diode of the DC / DC converter (step-up regulator).
В трехфазных инверторах напряжения дополнительный ключ Ta в цепи постоянного тока инвертора, встречно-параллельные диоды ключевого блока инвертора, источник Е входного напряжения и входной ток инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром. На Фиг.16 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора напряжения последовательно с дополнительным ключом Та.In three-phase voltage inverters, an additional switch Ta in the DC circuit of the inverter, counter-parallel diodes of the inverter key unit, input voltage source E and inverter input current form a switching circuit to which, in accordance with the present invention, a power switch with a resonant LLC circuit can be connected. On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected to the DC circuit of the voltage inverter in series with an additional switch Ta.
В трехфазных активных выпрямителях напряжения дополнительный диод Da в цепи постоянного тока инвертора, основные ключи ключевого блока активного выпрямителя, источник выходного напряжения на фильтровом конденсаторе Сф и выходной ток активного выпрямителя образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром. На Фиг.17 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения последовательно с дополнительным диодом Da.In three-phase active voltage rectifiers, an additional diode Da in the inverter DC circuit, the main keys of the key block of the active rectifier, the output voltage source on the filter capacitor Cf and the output current of the active rectifier form a switching circuit to which a power switch can be connected with in accordance with the present invention resonant LLC circuit. On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected to a DC circuit of an active voltage rectifier in series with an additional diode Da.
В трехфазных инверторах тока дополнительный ключ Та в цепи постоянного тока инвертора, однонаправленные ключи ключевого блока инвертора, источник входного тока на фильтровом дросселе Lф и напряжение на входе инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.18, 19, 20, 21) может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром.In three-phase current inverters, an additional switch Ta in the DC circuit of the inverter, unidirectional keys of the inverter key block, the input current source on the filter choke Lf and the voltage at the inverter input form a switching circuit to which in accordance with the present invention (Figs. 18, 19, 20 , 21) a power switch with a resonant LLC circuit can be connected.
На Фиг.18 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора.On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected to the DC circuit of the current inverter in series with unidirectional keys of the key block of the inverter.
На Фиг.19 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с дополнительным ключом.On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected to the DC circuit of the current inverter in series with an additional key.
На Фиг.20 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора).On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of figure 2, connected to the DC circuit of the current inverter (additional choke is connected in series with the unidirectional keys of the key block of the inverter).
На Фиг.21 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с дополнительным ключом).On Fig presents a power switch with a resonant LLC circuit of Fig.2, connected to the DC circuit of the current inverter (an additional inductor is connected in series with an additional key).
На стороне переменного тока трехфазных инверторов напряжения верхний и нижний ключ в стойке ключей каждой из фаз инвертора, источник Е постоянного напряжения и фазный ток инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.22, 23, 24, 25) может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром.On the AC side of three-phase voltage inverters, the upper and lower key in the key rack of each of the inverter phases, the constant voltage source E and the inverter phase current form a switching circuit to which, in accordance with the present invention (Figs. 22, 23, 24, 25), be connected power switch with a resonant LLC circuit.
На Фиг.22 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с основными ключами катодной группы инвертора. При этом коммутация основных ключей анодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей анодной группы можно рассматривать как включенные последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей катодной группы.On Fig presents three power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected to the AC circuit of the voltage inverter in series with the main keys of the cathode group of the inverter. In this case, the switching of the main keys of the anode group is carried out using the same power switches with a resonant LLC circuit, which for the keys of the anode group can be considered as connected in series with their antiphase diodes, which are counter-parallel diodes of the main keys of the cathode group.
На Фиг.23 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с основными ключами анодной группы инвертора. При этом коммутация основных ключей катодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей катодной группы можно рассматривать как включенные последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей анодной группы.On Fig presents three power switch with a resonant LLC circuit of figure 1, connected to the AC circuit of the voltage inverter in series with the main keys of the anode group of the inverter. In this case, the switching of the main keys of the cathode group is carried out using the same power switches with a resonant LLC circuit, which for the keys of the cathode group can be considered as connected in series with their antiphase diodes, which are counter-parallel diodes of the main keys of the anode group.
На Фиг.24 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами катодной группы инвертора). При этом коммутация основных ключей анодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей анодной группы можно рассматривать как решение по Фиг.2 с дополнительными дросселями, включенными последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей катодной группы.On Fig presents three power switch with a resonant LLC circuit of figure 2, connected to the AC circuit of the voltage inverter (additional chokes are connected in series with the keys of the cathode group of the inverter). In this case, the switching of the main keys of the anode group is carried out using the same power switches with a resonant LLC circuit, which for the keys of the anode group can be considered as a solution according to Figure 2 with additional chokes connected in series with their antiphase diodes, which are counter-parallel diodes of the main keys of the cathode group.
На Фиг.25 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дроссели включены последовательно с ключами анодной группы инвертора). При этом коммутация основных ключей катодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей катодной группы можно рассматривать как решение по Фиг.2 с дополнительными дросселями, включенными последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей анодной группы.On Fig presents three power switch with a resonant LLC circuit of figure 2, connected to the AC circuit of the voltage inverter (chokes are connected in series with the keys of the anode group of the inverter). In this case, the switching of the main keys of the cathode group is carried out using the same power switches with a resonant LLC circuit, which for the keys of the cathode group can be considered as a solution according to Figure 2 with additional chokes connected in series with their antiphase diodes, which are counter-parallel diodes of the main keys of the anode group.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131849/07A RU2490774C1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Power commutation switch |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131849/07A RU2490774C1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Power commutation switch |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2490774C1 true RU2490774C1 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49163003
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012131849/07A RU2490774C1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Power commutation switch |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2490774C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2625381A1 (en) * | 1987-12-23 | 1989-06-30 | Bendix Electronics Sa | Method and device for protecting an electronic unit for controlling the electrical supply to a load |
US5262930A (en) * | 1992-06-12 | 1993-11-16 | The Center For Innovative Technology | Zero-voltage transition PWM converters |
RU2016484C1 (en) * | 1990-12-17 | 1994-07-15 | Акционерное общество открытого типа "Электромашина" | Device for regulation of alternating voltage |
RU2153217C1 (en) * | 1999-03-11 | 2000-07-20 | ОАО "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" | Dc circuit switching and overcurrent protective device |
RU2408129C1 (en) * | 2009-12-17 | 2010-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Курский научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Device to realise ac voltage control |
-
2012
- 2012-07-25 RU RU2012131849/07A patent/RU2490774C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2625381A1 (en) * | 1987-12-23 | 1989-06-30 | Bendix Electronics Sa | Method and device for protecting an electronic unit for controlling the electrical supply to a load |
RU2016484C1 (en) * | 1990-12-17 | 1994-07-15 | Акционерное общество открытого типа "Электромашина" | Device for regulation of alternating voltage |
US5262930A (en) * | 1992-06-12 | 1993-11-16 | The Center For Innovative Technology | Zero-voltage transition PWM converters |
RU2153217C1 (en) * | 1999-03-11 | 2000-07-20 | ОАО "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" | Dc circuit switching and overcurrent protective device |
RU2408129C1 (en) * | 2009-12-17 | 2010-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Курский научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Device to realise ac voltage control |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Peng et al. | Z-source inverter for motor drives | |
Belaguli et al. | Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode. Analysis, design, simulation, and experimental results | |
EP3116116A1 (en) | Power conversion device and control device | |
De et al. | Analysis, design, modeling, and implementation of an active clamp HF link converter | |
JP2018121473A (en) | Power conversion device | |
Dalapati et al. | A direct PWM technique for a single-phase full-bridge inverter through controlled capacitor charging | |
JP5169017B2 (en) | Power converter | |
RU2732851C2 (en) | Adjustable boosting voltage rectifier | |
RU2457600C1 (en) | Power module with multi-resonance circuit (versions) | |
RU2490774C1 (en) | Power commutation switch | |
RU2490776C1 (en) | Resonance commutator switch (versions) | |
RU124455U1 (en) | RESONANT SWITCH | |
RU124463U1 (en) | POWER SWITCH | |
RU2464692C1 (en) | Voltage converter (versions) | |
RU105095U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL OF ASYNCHRONOUS MOTOR | |
RU2551427C1 (en) | Method and device of stabilisation of three-phase alternating voltage | |
Mary et al. | Design of new bi-directional three phase parallel resonant high frequency AC link converter | |
RU2516451C2 (en) | Resonance switch (versions) | |
RU124458U1 (en) | POWER MODULE | |
RU124464U1 (en) | RESONANT SWITCH (OPTIONS) | |
RU2516450C2 (en) | Resonance switch | |
RU94780U1 (en) | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING | |
RU2399145C1 (en) | Converter of frequency with explicit dc link | |
Baharom et al. | Studies on control electronics implementation of Single-phase Matrix converter operating as AC-DC Converter with active power filter | |
RU2580677C1 (en) | Step-up/step-down voltage controller |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160726 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180123 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200726 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210421 |