RU2503118C1 - Power module - Google Patents
Power module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2503118C1 RU2503118C1 RU2012131851/07A RU2012131851A RU2503118C1 RU 2503118 C1 RU2503118 C1 RU 2503118C1 RU 2012131851/07 A RU2012131851/07 A RU 2012131851/07A RU 2012131851 A RU2012131851 A RU 2012131851A RU 2503118 C1 RU2503118 C1 RU 2503118C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- key
- voltage
- terminal
- circuit
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Inverter Devices (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 автономных инверторов тока и активных выпрямителях тока.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 stand-alone current inverters and active rectifiers.
Известна схема преобразователя, в которой обеспечивается мягкое выключение основных ключевых узлов при нулевом токе с помощью двух дополнительных ключевых узлов и последовательного LC контура (см. патент США №5486752, опубл. 23.01.1996).A known converter circuit in which soft shutdown of the main key nodes at zero current is provided using two additional key nodes and a sequential LC circuit (see US Pat. No. 5,486,752, publ. 23.01.1996).
Недостатком данного решения является то, что включение основных ключевых узлов остается жестким, что значительно увеличивает динамические потери в схеме.The disadvantage of this solution is that the inclusion of the main key nodes remains rigid, which significantly increases the dynamic losses in the circuit.
Наиболее близким по технической сути является силовой модуль (см. заявка РФ на изобретение №2011116247 от 26.04.2011, решение о выдаче патента от 12.12.2011), содержащий два последовательно соединенных двунаправленных по току ключевых узла с прямой блокирующей способностью по напряжению, и последовательно соединенные дроссель и первый и второй конденсаторы, причем один вывод первого ключевого узла подключен к первому силовому выводу модуля, другой вывод первого ключевого узла соединен с одним выводом второго ключевого узла и выводом дросселя, другой вывод второго ключевого узла подключен ко второму силовому выводу модуля, точка соединения первого и второго конденсаторов подключена к третьему силовому выводу модуля, другой вывод второго конденсатора соединен с одним из первого и второго силовых выводов модуля.The closest in technical essence is the power module (see RF application for invention No. 20111116247 dated 04/26/2011, decision on the grant of a patent dated 12/12/2011) containing two serially connected bidirectional key assemblies with direct voltage blocking ability, and in series connected throttle and first and second capacitors, with one terminal of the first key node connected to the first power terminal of the module, another terminal of the first key node connected to one terminal of the second key node and the terminal of the throttle, another the output of the second key node is connected to the second power output of the module, the connection point of the first and second capacitors is connected to the third power output of the module, the other output of the second capacitor is connected to one of the first and second power outputs of the module.
Данное решение обеспечивает мягкую коммутацию ключевых элементов в цепях постоянного и переменного тока широкого круга преобразователей, к которым относятся преобразователи постоянного напряжения, выпрямители напряжения и автономные инверторы напряжения. Однако двунаправленные ключевые узлы в силовом модуле ближайшего аналога не имеют обратной блокирующей способности по напряжению, что не позволяет использовать данное решение в цепи переменного тока автономных инверторов тока и активных выпрямителей тока.This solution provides soft switching of key elements in the DC and AC circuits of a wide range of converters, which include DC voltage converters, voltage rectifiers and autonomous voltage inverters. However, bidirectional key nodes in the power module of the closest analogue do not have a reverse voltage blocking ability, which does not allow this solution to be used in the AC circuit of autonomous current inverters and active rectifiers.
Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в возможности проведения мягкой коммутации в цепях переменного тока преобразователей тока, когда напряжение на силовых выводах модуля меняет свою полярность.The technical result of the device of the present invention lies in the possibility of soft switching in AC circuits of current converters, when the voltage at the power terminals of the module changes its polarity.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в силовом модуле, содержащем два последовательно соединенных двунаправленных по току ключевых узла с прямой блокирующей способностью по напряжению, и последовательно соединенные дроссель и первый и второй конденсаторы, причем один вывод первого ключевого узла подключен к первому силовому выводу модуля, другой вывод первого ключевого узла соединен с одним выводом второго ключевого узла и выводом дросселя, другой вывод второго ключевого узла подключен ко второму силовому выводу модуля, точка соединения первого и второго конденсаторов подключена к третьему силовому выводу модуля, другой вывод второго конденсатора соединен с одним из первого и второго силовых выводов модуля, в соответствии с настоящим изобретением ключевые узлы силового модуля выполнены с обратной блокирующей способностью по напряжению.The specified technical result is achieved due to the fact that in the power module containing two series-connected bidirectional current key nodes with a direct voltage blocking ability, and series-connected inductor and first and second capacitors, and one terminal of the first key node is connected to the first power terminal of the module , the other terminal of the first key node is connected to one terminal of the second key node and the output of the throttle, the other terminal of the second key node is connected to the second power the output of the module, the connection point of the first and second capacitors is connected to the third power output of the module, the other output of the second capacitor is connected to one of the first and second power outputs of the module, in accordance with the present invention, the key nodes of the power module are made with reverse voltage blocking ability.
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 модуль с мультирезонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению.Figure 1 presents the power module with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage.
На Фиг.2 представлена схема ближайшего аналога.Figure 2 presents a diagram of the closest analogue.
На Фиг.3 представлены возможные варианты практической реализации двунаправленного по току ключевого узла с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению.Figure 3 presents possible options for the practical implementation of bidirectional current key node with forward and reverse blocking voltage.
На Фиг.4 представлен силовой модуль с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенный к базовой переключающей схеме преобразователя тока.Figure 4 presents the power module with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage, connected to the base switching circuit of the current Converter.
На Фиг.5 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне катодной группы ключевых узлов инвертора.Figure 5 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with direct and reverse voltage blocking ability, connected to an alternating current circuit in the current inverter on the cathode group side of the inverter key nodes.
На Фиг.6 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне анодной группы ключевых узлов инвертора.Figure 6 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capability, connected to an alternating current circuit in the current inverter on the side of the anode group of the inverter key nodes.
На Фиг.7 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне катодной группы ключевых узлов выпрямителя.Figure 7 presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse voltage blocking ability, connected to an alternating current circuit in the active rectifier on the side of the cathode group of the rectifier key nodes.
На Фиг.8 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне анодной группы ключевых узлов выпрямителя.On Fig presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage, connected to an alternating current circuit in the active rectifier on the side of the anode group of key rectifier nodes.
На Фиг.9 представлена осциллограмма мягкого переключения одного из основных ключевых узлов преобразователя тока при применении силового модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению по настоящему изобретению.Figure 9 shows the soft switching waveform of one of the main key components of the current transducer when applying a power module with a multi-resonant circuit and bi-directional current nodes with forward and reverse voltage blocking capability of the present invention.
На Фиг.10 представлена осциллограмма мягкого переключения первого из двунаправленных по току ключевых узлов с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с мульти-резонансным контуром по настоящему изобретению.Figure 10 presents the waveform of the soft switching of the first of the bidirectional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capacity in the power module with a multi-resonant circuit of the present invention.
На Фиг.11 представлена осциллограмма мягкого переключения второго из двунаправленных по току ключевых узлов с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с мульти-резонансным контуром по настоящему изобретению.Figure 11 shows the waveform of soft switching of the second of the bidirectional current key nodes with forward and reverse voltage blocking power as part of the multi-resonance circuit power module of the present invention.
На Фиг.12 представлена осциллограмма напряжения на одном из конденсаторов и осциллограмма тока в дросселе в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящему изобретению.On Fig presents a waveform of the voltage on one of the capacitors and the waveform of the current in the inductor as part of the power module with a resonant LCC circuit of the present invention.
Силовой модуль (Фиг.1) содержит: первый двунаправленный по току ключевой узел 1 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, второй двунаправленный по току ключевой узел 2 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, дроссель 3, первый конденсатор 4 и второй конденсатор 5. На чертежах показаны также первый силовой вывод 6, второй силовой вывод 7 и третий силовой вывод 8.The power module (Figure 1) contains: a first bi-directional
Первый ключевой узел 1 и второй ключевой узел 2 соединены последовательно. Внешний вывод первого ключевого узла 1 подключен к первому силовому выводу 6, а внешний вывод второго ключевого узла 2 подключен ко второму силовому выводу 7. К точке соединения первого и второго ключевых узлов 1, 2 подключен первый вывод последовательного LC контура, образованного дросселем 3 и первым конденсатором 4, а второй вывод LC контура соединен с третьим силовым выводом 8. Первый вывод конденсатора 5 соединен с третьим силовым выводом 8, а второй вывод конденсатора 5 соединен с первым силовым выводом 6. Второй вывод конденсатора 5 может быть соединен также и со вторым силовым выводом 7.The
Рассмотрим работу силового модуля с мульти-резонансным контуром при его подключении к базовому контуру коммутации, к схеме которого сводятся процессы коммутации тока в инверторах тока и активных выпрямителях тока (Фиг.4). Данная схема содержит два однонаправленных ключа S1 и S2, источник J тока и знакопеременный источник Е напряжения.Consider the operation of a power module with a multi-resonant circuit when it is connected to the basic switching circuit, to the circuit of which the current switching processes in current inverters and active current rectifiers are reduced (Figure 4). This circuit contains two unidirectional switches S1 and S2, a current source J and an alternating voltage source E.
Вначале предположим, что полярность напряжения источника Е соответствует той, что показана на чертеже без скобок (Фиг.4).First, suppose that the polarity of the voltage of the source E corresponds to that shown in the drawing without brackets (Figure 4).
Предположим также, что ток источника J протекает в направлении от точки соединения основных ключей S1 и S2 преобразователя, при этом ключ S1 разомкнут, а ключ S2 замкнут. При выключенном основном ключе S1 ток J замыкается через основной ключ S2.Suppose also that the source current J flows in the direction from the connection point of the main converter keys S1 and S2, while the switch S1 is open and the switch S2 is closed. When the main switch S1 is turned off, the current J is closed through the main switch S2.
Тогда выходная емкость основного ключа S1 заряжена до напряжения источника Е питания, а выходная емкость основного ключа S2 полностью разряжена. При этом конденсатор 5 также заряжен до напряжения источника Е питания с соответствующей полярностью.Then, the output capacitance of the main switch S1 is charged to the voltage of the power source E, and the output capacitance of the main switch S2 is completely discharged. In this case, the capacitor 5 is also charged to the voltage of the power source E with the corresponding polarity.
Начальное напряжение на конденсаторе 4 будем считать равным U0+ с полярностью, показанной на схеме. Абсолютное значение напряжения U0+ будет определено ниже на одном из интервалов периода коммутации.The initial voltage across the capacitor 4 will be considered equal to U 0+ with the polarity shown in the diagram. The absolute value of the voltage U 0+ will be determined below at one of the intervals of the switching period.
Представим основные интервалы мягкой коммутации тока J нагрузки от основного ключа S2 к основному ключу S1 и наоборот.Imagine the main intervals of soft switching of the load current J from the main switch S2 to the main switch S1 and vice versa.
Перед включением первого основного ключа S1 включается второй ключевой узел 2 силового модуля.Before turning on the first main key S1, the
1. Интервал перезаряда конденсатора 4 в последовательном LC контуре.1. The recharge interval of the capacitor 4 in the serial LC circuit.
Через открытый второй ключевой узел 2 и открытый основной ключ S2 за счет колебательного процесса конденсатор 4 перезаряжается до начального напряжения U0+, но с обратной полярностью. Время перезаряда равно половине периода резонансной частоты LC контура:Through the open
где Lk - индуктивность дросселя 3; Ск - емкость конденсатора 4.where L k is the inductance of the
2. Интервал коммутации второго основного ключа S2.2. The switching interval of the second primary key S2.
После перезаряда конденсатора 4 ток дросселя 3 начинает нарастать встречно току нагрузки второго основного ключа S2, и при достижении величины тока J данный ключ запирается при нулевом токе, при этом с него может быть снят сигнал управления. Длительность интервала коммутации Δt2 определяется уравнением:After the capacitor 4 is recharged, the current of the
где
В конце интервала коммутации напряжение на конденсаторе 4 становится равным величине U0, которое определяется уравнением:At the end of the switching interval, the voltage across the capacitor 4 becomes equal to the value U 0 , which is determined by the equation:
3. Интервал резонансного разряда выходной емкости первого основного ключа S1.3. The interval of the resonant discharge of the output capacitance of the first main switch S1.
Выходная емкость Ст первого основного ключа S1 определяется емкостью Сх конденсатора 5, которая выбирается много больше, чем собственная выходная емкость первого основного ключа S1:The output capacitance St of the first main key S1 is determined by the capacitance Cx of the capacitor 5, which is chosen much more than the intrinsic output capacitance of the first main key S1:
После запирания второго основного ключа S2 в схеме образуется параллельный резонансный контур, в который входят источник J тока, конденсатор 5, а также дроссель 3 последовательного LC контура с последовательным эквивалентным источником напряжения:After locking the second main switch S2, a parallel resonant circuit is formed in the circuit, which includes the current source J, capacitor 5, and also the
где uCk(t) - напряжение на конденсаторе 4.where u Ck (t) is the voltage across the capacitor 4.
При этом напряжение на первом основном ключе S1 будет изменяться в соответствии с уравнением:In this case, the voltage on the first primary key S1 will change in accordance with the equation:
где
Напряжение на конденсаторе 4 в последовательном LC контуре при этом будет равно:The voltage on the capacitor 4 in the serial LC circuit will be equal to:
Из уравнения (6) следует условие, при котором в результате резонанса на первом основном ключе S1 реализуется нулевое напряжение:Equation (6) implies the condition under which, as a result of resonance, a zero voltage is realized on the first main key S1:
Таким образом, условие нулевого напряжения на первом основном ключе S1 определяется величиной напряжения U0 на конденсаторе 4 в последовательном LC контуре в момент коммутации второго ключа S2 при заданных параметрах электрического режима работы схемы (Е и J) и выбранных параметрах мульти-резонансного контура (Lк, Ск и Сх).Thus, the condition of zero voltage on the first main switch S1 is determined by the voltage U 0 on the capacitor 4 in the serial LC circuit at the time of switching the second switch S2 for the given parameters of the electric mode of the circuit (E and J) and the selected parameters of the multi-resonance circuit (Lк , Ck and Cx).
Длительность Δt3 интервала резонанса определим из уравнения (6) при uS1(t)=0:The duration Δt 3 of the resonance interval is determined from equation (6) for u S1 (t) = 0:
После интервала Δt3 второй основной ключ S1 можно включить при нулевом напряжении подачей на него сигнала управления. При этом на втором основном ключе S2 реализуется отрицательное напряжение, по абсолютной величине равное напряжению Е.After the interval Δt 3, the second main switch S1 can be turned on at zero voltage by applying a control signal to it. In this case, a negative voltage is realized on the second main key S2, equal in magnitude to the voltage E.
4. Интервал сброса энергии из резонансного дросселя 3.4. Interval for the discharge of energy from the
Напряжение на конденсаторе 4 в LC контуре после разряда выходной емкости первого основного ключа S1 становится равным:The voltage on the capacitor 4 in the LC circuit after the discharge of the output capacitance of the first main switch S1 becomes equal to:
Ток дросселя 3 в LC контуре после разряда выходной емкости первого основного ключа S1 становится равным:The current of the
где
при разряде выходной емкости первого основного ключа S1.when discharging the output capacitance of the first primary key S1.
После отпирания первого основного ключа S1, последовательный LC контур через открытый второй ключевой узел 2 оказывается присоединенным к источнику питания схемы Е.After unlocking the first primary key S1, the serial LC circuit through the open second
Решая при этом уравнение колебательного процесса в LC контуре, для тока дросселя 3 получаем:Solving the equation of the oscillatory process in the LC circuit, for the inductor current 3 we get:
где β=arctg[(E-U*)/(ρkI*)].where β = arctan [(EU * ) / (ρ k I * )].
Интегрируя (12) по времени, для напряжения на конденсаторе 4 получаем:Integrating (12) over time, for the voltage across capacitor 4 we obtain:
Разность тока дросселя 3 и тока J протекает вначале через выходную емкость первого основного ключа S1, а затем через сам ключ S1.The difference between the current of the
Когда ток транзистора первого основного ключа S1 достигает величины тока J, ток дросселя 3 становится равным нулю.When the current of the transistor of the first main switch S1 reaches the current value J, the current of the
Приравнивая (12) к нулевому значению для интервала сброса энергии Δt4, получаем:Equating (12) to the zero value for the energy release interval Δt4, we obtain:
Напряжение на конденсаторе 4 в LC контуре при этом оказывается равным:The voltage on the capacitor 4 in the LC circuit is equal to:
где U0-=uCk(Δt4).where U 0- = u Ck (Δt4).
Напряжение на конденсаторе 4, равное U0- с полярностью, противоположной начальному напряжению U0+, далее может быть использовано для мягкого выключения первого основного ключа S1 при нулевом токе.The voltage across the capacitor 4, equal to U 0- with the polarity opposite to the initial voltage U 0+ , can then be used to gently turn off the first main switch S1 at zero current.
5. Интервал проводимости тока нагрузки через ключ S1.5. The interval of conductivity of the load current through the key S1.
Данный Δt5 интервал времени определяется длительностью открытого состояния первого основного ключа S1.This Δt 5 time interval is determined by the duration of the open state of the first primary key S1.
6. Интервал резонансного выключения первого основного ключа S1 при нулевом токе.6. The interval of the resonant shutdown of the first main switch S1 at zero current.
Перед выключением первого основного ключа S1 подают сигнал управления на первый ключевой узел 1 силового модуля, и ток iLk(t) последовательного LC контура начинает нарастать встречно току J, проходящему через открытый первый основной ключ S1:Before turning off the first main switch S1, a control signal is supplied to the first
При этом напряжение на конденсаторе 4 в LC контуре будет изменяться по закону:In this case, the voltage across the capacitor 4 in the LC circuit will change according to the law:
Поскольку первый основной ключ S1 находится в открытом состоянии, напряжение на конденсаторе 5 равно нулю. Тогда круговая частота резонансного процесса при выключении первого основного ключа S1 будет определяться частотой ωк последовательного LC контура, которая отличается от резонансной частоты ω0.Since the first main switch S1 is in the open state, the voltage across the capacitor 5 is zero. Then, the circular frequency of the resonance process when the first main switch S1 is turned off will be determined by the frequency ω to the sequential LC circuit, which differs from the resonance frequency ω 0 .
Таким образом, колебательные процессы в LCC контуре силового модуля, состоящем из дросселя 3, конденсатора 4 и конденсатора 5, носят мультирезонансный характер, поскольку имеют различные резонансные частоты при включении и выключении основных ключей SI, S2 преобразователя тока.Thus, the oscillatory processes in the LCC circuit of the power module, consisting of
Выключение первого основного ключа S1 при нулевом токе возможно только при выполнении условия:Switching off the first main switch S1 at zero current is possible only if the condition:
В момент равенства тока в дросселе 3 и тока J ток первого основного ключа S1 становится равным нулю, и с него может быть снят сигнал управления.At the moment of equal current in the
Длительность Δt6 интервала определяется из уравнения (16) для заданного тока J:The duration Δt 6 of the interval is determined from equation (16) for a given current J:
В момент времени, когда ток в дросселе 3 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 4 вновь изменяет свою полярность и затем возрастает до величины U*. Данное напряжение определяется из уравнения (17) при подстановке в него интервала времени Δt6:At the time when the current in the
Величина напряжения U* зависит от тока нагрузки J. Но в любом случае напряжение U* будет ниже первоначального напряжения, равного U0+. Для обеспечения устойчивости циклов мягких переключений необходимо поднять уровень напряжения на конденсаторе 4 в LC контуре до начальной величины U0+. С этой целью после выключении первого основного ключа S1 первый ключевой узел 1 силового модуля оставляют в открытом состоянии.The magnitude of the voltage U * depends on the load current J. But in any case, the voltage U * will be lower than the initial voltage equal to U 0+ . To ensure the stability of the soft switching cycles, it is necessary to raise the voltage level on the capacitor 4 in the LC circuit to the initial value U 0+ . To this end, after turning off the first main key S1, the first
7. Интервал дозаряда конденсатора 4 до напряжения источника питания Е.7. The interval of the charge of the capacitor 4 to the voltage of the power source E.
Поскольку напряжение U* на конденсаторе 4 меньше напряжения питания Е, ток нагрузки не может протекать через канал проводимости второго основного ключа S2 из-за его однонаправленного характера, даже если на ключ S2 при этом подан импульс управления. Таким образом, единственный путь для замыкания тока J лежит через последовательный LC контур и открытый первый ключевой узел 1. При этом ток J будет практически линейно заряжать конденсатор 4:Since the voltage U * on the capacitor 4 is less than the supply voltage E, the load current cannot flow through the conduction channel of the second main switch S2 because of its unidirectional nature, even if a control pulse is applied to the switch S2. Thus, the only way to close the current J lies through the serial LC circuit and the open first
Длительность интервала At7 дозаряда конденсатора 4 определяется из уравнения (21) при напряжении на данном конденсаторе, равном Е:The duration of the interval At 7 of the charge of the capacitor 4 is determined from equation (21) at a voltage on this capacitor equal to E:
8. Интервал резонансного восстановления начального напряжения на конденсаторе в LC контуре.8. The interval of the resonant restoration of the initial voltage across the capacitor in the LC circuit.
Когда напряжение на конденсаторе 4 увеличивается до напряжения Е, открывается канал проводимости второго основного ключа S2. Через данный ключ S2 и ключевой узел 1 силового модуля последовательный LC контур подключается к источнику питания Е, и в контуре начинается еще один резонансный процесс с круговой частотой ωк. Ток в дросселе 3 и напряжение на конденсаторе 4 описываются при этом системой уравнений:When the voltage across the capacitor 4 increases to voltage E, the conduction channel of the second main switch S2 is opened. Through this switch S2 and the
Через четверть периода колебательного процесса ток дросселя 3 меняет свое направление.After a quarter period of the oscillatory process, the current of the
Еще через половину периода тока дросселя 3 вновь достигает нуля, при этом ключевой узел 1 может быть выключен при нулевом токе. Таким образом, полная длительность Δt8 интервала составляет три четверти от периода резонанса, равного
Подставляя Δt8 в уравнение (23) для напряжения на конденсаторе 4 в LC контуре в конце интервала получаем:Substituting Δt 8 into equation (23) for the voltage across capacitor 4 in the LC circuit at the end of the interval, we obtain:
Можно считать, что полный цикл одного периода коммутации завершен. И, начиная с напряжения U0+ на конденсаторе 4, можно начинать очередной такт.We can assume that the complete cycle of one switching period is completed. And, starting with the voltage U 0+ on the capacitor 4, you can start the next cycle.
Чем больше ток J, тем сложнее выполнить условия мягкого переключения основных ключей S1 и S2 преобразователя тока в соответствии с формулами (8) и (18). Поэтому выбор номиналов элементов мульти-резонансного контура, удовлетворяющих указанным условиям, следует проводить для максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока J ниже максимального условия мягкого переключения основных ключей S1 и S2 будут выполняться автоматически.The larger the current J, the more difficult it is to fulfill the conditions for soft switching of the main keys S1 and S2 of the current converter in accordance with formulas (8) and (18). Therefore, the selection of the values of the elements of the multi-resonance circuit that satisfy the specified conditions should be carried out for maximum load current. For all other current values J below the maximum soft switch condition, the main switches S1 and S2 will be executed automatically.
Динамические процессы в первом и втором ключевых узлах 1 и 2 рассматриваемого силового модуля также носят мягкий характер, и коммутация в них протекает при нулевом токе за счет плавного изменения тока в колебательном LC контуре.The dynamic processes in the first and second
В процессе работы инверторов тока и активных выпрямителей тока источник напряжения Е, входящий в контур коммутации, меняет свою полярность. С изменением полярности на источнике напряжения изменяются начальные условия в схеме. Теперь в начальный момент времени ток нагрузки будет замыкаться через открытый основной ключ S1, и следует рассматривать коммутацию тока J с ключа S1 на ключ S2. Выходная емкость основного ключа S2 в начальный момент времени будет заряжена до напряжения источника Е с полярностью, соответствующей полярности напряжения в скобках (Фиг.4).In the process of operation of current inverters and active rectifiers, the voltage source E, which enters the switching circuit, changes its polarity. With a change in polarity at the voltage source, the initial conditions in the circuit change. Now, at the initial moment of time, the load current will be closed through the open main switch S1, and switching of the current J from switch S1 to switch S2 should be considered. The output capacity of the main switch S2 at the initial time will be charged to the voltage of the source E with a polarity corresponding to the voltage polarity in brackets (Figure 4).
Поскольку вспомогательные ключевые узлы 1 и 2 силового модуля являются двунаправленными по току и обладают прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, все процессы коммутации тока между ключами SI и S2 будут иметь те же основные интервалы, что и в рассмотренном варианте. Теперь перед включением основного ключа S2 надо включить первый ключевой узел 1 силового модуля. При этом обеспечиваются условия отпирания ключа S2 при нулевом напряжении. Затем, после интервала проводимости ключа S2, происходит его запирание при нулевом токе за счет отпирания второго ключевого узла 2 силового модуля.Since the auxiliary
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов основных ключей, которые находят применение в преобразователях тока (GTO и IGCT тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором - IGBT и IEGT).The principle of operation of the device and the criteria for soft switching do not change with the use of various types of key switches that are used in current converters (GTO and IGCT thyristors, IGBT and IEGT thyristors with insulated gate).
На Фиг.3 показаны возможные варианты схемной реализации двунаправленных по току ключевых узлов 1 и 2 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с мульти-резонансным контуром.Figure 3 shows possible variants of the circuit implementation of bidirectional current
Далее рассмотрим примеры конкретного применения предложенного устройства.Next, we consider examples of specific applications of the proposed device.
На Фиг.5 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне катодной группы ключей инвертора.Figure 5 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with direct and reverse voltage blocking ability, connected to the AC circuit in the current inverter on the side of the cathode group of keys of the inverter.
На Фиг.6 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в инверторе тока на стороне анодной группы ключей инвертора.Figure 6 shows three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with direct and reverse voltage blocking ability, connected to an alternating current circuit in the current inverter on the side of the anode group of inverter keys.
На Фиг.7 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне катодной группы ключей выпрямителя.Figure 7 presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage capability, connected to an alternating current circuit in the active rectifier on the side of the cathode group of rectifier keys.
На Фиг.8 представлено три (по количеству фаз) силовых модуля с мульти-резонансным контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, подключенные к цепи переменного тока в активном выпрямителе тока на стороне анодной группы ключей выпрямителя.On Fig presents three (by the number of phases) power modules with a multi-resonant circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse blocking voltage, connected to the AC circuit in the active rectifier on the side of the anode group of rectifier keys.
Мягкая коммутация в данных преобразователях тока (Фиг.5-8) заключается в том, что первый и второй силовые выводы каждого из модулей присоединяются к выводам соответствующих конденсаторов, подключенных между точками фаз в цепи переменного тока преобразователей тока, и являющихся источниками знакопеременного напряжения. При этом третий силовой вывод модуля подключается к точке соединения «катодов» или «анодов» основных ключей преобразователей, причем данная точка является также полюсом источника тока нагрузки, роль которого выполняет входной ток инвертора или выходной ток выпрямителя тока.Soft switching in these current converters (Figure 5-8) consists in the fact that the first and second power terminals of each of the modules are connected to the terminals of the respective capacitors connected between the phase points in the alternating current circuit of the current converters, which are sources of alternating voltage. In this case, the third power output of the module is connected to the connection point of the “cathodes” or “anodes” of the main keys of the converters, and this point is also the pole of the load current source, the role of which is played by the input current of the inverter or the output current of the current rectifier.
Рассмотрим пример конкретного исполнения устройства по настоящему изобретению.Consider an example of a specific implementation of the device of the present invention.
Предложенное устройство было исполнено для трехфазного инвертора тока, процессы коммутации в котором рассчитаны с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice.The proposed device was designed for a three-phase current inverter, the switching processes in which are calculated using the circuit simulation program PSpice.
Напряжение источника питания Е=500 В.Power supply voltage E = 500 V.
Ток нагрузки J=40 А.Load current J = 40 A.
Основные ключи S1 и S2 инвертора тока - запираемые тиристоры GTO, класс напряжения 1200 В, средний ток анода 100 А, напряжение насыщения 1,2 В, выходная емкость 0,5 нФ.The main keys of the current inverter are lockable thyristors GTO, voltage class 1200 V, average anode current 100 A, saturation voltage 1.2 V, output capacitance 0.5 nF.
Первый и второй ключевые узлы 1 и 2 силового модуля с мульти-резонансным контуром являются двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению, выполненными по схеме диодного моста с транзисторным ключом в его диагонали (Фиг.3). Диоды импульсного типа, класс напряжения 1200 В, средний ток 60 А, импульсный ток 500 А, напряжение в открытом состоянии 1,75 В, время восстановления 40 не. Транзистор типа NPT-IGBT, класс напряжения 1200 В, средний ток коллектора 50 А, импульсный ток коллектора 400 А, напряжение насыщения 2,0 В, выходная емкость 0,2 нФ.The first and second
Дроссель 3 - индуктивность 2,0 мкГн.Choke 3 - inductance 2.0 μH.
Конденсатор 4 - емкость 0,15 мкФ, напряжение 1000 В.Capacitor 4 - capacitance 0.15 μF, voltage 1000 V.
Конденсатор 5 - емкость 4,7 нФ, напряжение 1000 В.Capacitor 5 - 4.7 nF capacitance, voltage 1000 V.
На Фиг.9 представлена осциллограмма мягкого переключения одного из основных ключей преобразователя тока при применении силового модуля с резонансным LCC контуром и двунаправленными по току ключевыми узлами с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению по настоящему изобретению. Основной ключ инвертора тока включается при нулевом напряжении и выключается при нулевом токе.Figure 9 shows the soft switching waveform of one of the main keys of the current converter when using a power module with a resonant LCC circuit and bi-directional current key nodes with forward and reverse voltage blocking ability of the present invention. The main key of the current inverter turns on at zero voltage and turns off at zero current.
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключе S1Channel 1: S1 Key Voltage
(напряжение на конденсаторе 5); 400 В/дел.(voltage across capacitor 5); 400 V / div
Канал 2: ток ключа S1; 50 А/дел.Channel 2: key current S1; 50 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
На Фиг.10 представлена осциллограмма мягкого переключения двунаправленного по току первого ключевого узла 1 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящему изобретению. Данный первый ключевой узел 1 включается и выключается при нулевом токе.Figure 10 presents the waveform of the soft switching bidirectional current of the first
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключевом узле 1; 400 В/дел.Channel 1: voltage at
Канал 2: ток ключевого узла 1; 50 А/дел.Channel 2: current of
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
На Фиг.11 представлена осциллограмма мягкого переключения двунаправленного по току второго ключевого узла 2 с прямой и обратной блокирующей способностью по напряжению в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящему изобретению. Данный второй ключевой узел 2 включается и выключается при нулевом токе.Figure 11 shows the waveform of the soft switching bidirectional current of the second
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на ключевом узле 2; 400 В/дел.Channel 1: voltage at
Канал 2: ток ключевого узла 2; 50 А/дел.Channel 2: current of
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
На Фиг.12 представлена осциллограмма напряжения на конденсаторе 4 и осциллограмма тока в дросселе 3 в составе силового модуля с резонансным LCC контуром по настоящему изобретению. Конденсатор 4 восстанавливает начальное напряжение к очередному такту коммутации. Ток дросселя 3 определяет мягкую коммутацию первого и второго ключевых узлов 1 и 2 силового модуля при нулевом токе.On Fig presents a waveform of the voltage across the capacitor 4 and the waveform of the current in the
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Канал 1: напряжение на конденсаторе 4; 400 В/дел.Channel 1: voltage across capacitor 4; 400 V / div
Канал 2: ток дросселя 3; 50 А/дел.Channel 2: inductor current 3; 50 A / div
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 3 мкс/дел.Time - 3 μs / div.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131851/07A RU2503118C1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Power module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131851/07A RU2503118C1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Power module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2503118C1 true RU2503118C1 (en) | 2013-12-27 |
Family
ID=49817831
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012131851/07A RU2503118C1 (en) | 2012-07-25 | 2012-07-25 | Power module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2503118C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU180437U1 (en) * | 2017-10-31 | 2018-06-14 | Акционерное Общество "Специальное Конструкторско-Технологическое Бюро По Релейной Технике" (Ао "Сктб Рт") | POWER MODULE |
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 RU2012131851/07A patent/RU2503118C1/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 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU180437U1 (en) * | 2017-10-31 | 2018-06-14 | Акционерное Общество "Специальное Конструкторско-Технологическое Бюро По Релейной Технике" (Ао "Сктб Рт") | POWER MODULE |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Taghvaie et al. | A multilevel inverter structure based on a combination of switched-capacitors and DC sources | |
US20220190714A1 (en) | Switched-Capacitor Power Conversion System and Control Method | |
Chen et al. | Three-port flyback-type single-phase micro-inverter with active power decoupling circuit | |
Gao et al. | Diode-assisted buck–boost voltage-source inverters | |
US9641090B2 (en) | Multiple-input soft-switching power converters | |
Kim et al. | High-efficiency bidirectional soft switching DC-DC converter | |
Prasanna et al. | Analysis and design of zero-voltage-switching current-fed isolated full-bridge Dc/Dc converter | |
Muhammad et al. | Two-switch ZCS totem-pole bridgeless PFC boost rectifier | |
Moballegh et al. | Evaluation of high voltage 15 kV SiC IGBT and 10 kV SiC MOSFET for ZVS and ZCS high power DC-DC converters | |
RU124458U1 (en) | POWER MODULE | |
RU2457600C1 (en) | Power module with multi-resonance circuit (versions) | |
RU2503118C1 (en) | Power module | |
CN102709940A (en) | Design method of energy storage quasi-Z source single-phase photovoltaic power generation system | |
RU2490776C1 (en) | Resonance commutator switch (versions) | |
Amirabadi | Analog control of AC link universal power converters: The key to very high frequency AC link conversion systems | |
JP3402082B2 (en) | Power converter | |
RU2601437C1 (en) | Charging device of capacitive energy storage | |
RU94780U1 (en) | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING | |
RU96708U1 (en) | THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION | |
Choi et al. | High efficiency step-up DC-DC converter for low-DC renewable energy sources | |
Chen et al. | A single-stage grid-connected flyback inverter with power decoupling function | |
RU2453030C1 (en) | Transformerless power supply | |
Sadeghi et al. | A new topology of unidirectional multistring PV inverter with high frequency AC-Link | |
Mary et al. | Design of new bi-directional three phase parallel resonant high frequency AC link converter | |
RU165073U1 (en) | VOLTAGE INVERTER WITH RESONANT CIRCUIT |
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 |