RU2637813C1

RU2637813C1 - Quasi-resonant voltage converter with high coefficient of efficiency

Info

Publication number: RU2637813C1
Application number: RU2016123630A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Горяшин; Александр Сергеевич Сидоров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эфре Поиск"
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2017-12-07

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: quasi-resonant voltage converter contains the primary single inverter, a pulse transformer, a rectifier with a simultaneous key and a control circuit, a resonant circuit, an inductive-capacitive filter. The beginning of the secondary winding of the transformer is connected to the anode of the pulse rectifier diode, the cathode of which is connected to one end of the inductive element of the resonant circuit, the other end of which is connected with one armature of condenser of the resonant circuit and with a drain region of MIS transistor, a source of which is connected in series through a current sensor to the second armature of condenser and with the end of the secondary winding of the transformer, one choke of the output filter is connected to the drain region of MIS transistor, the second end of which is connected with one of the armature of condenser of the filter, the second armature of the latter is connected with the end of the secondary winding of the transformer, the outputs of the current sensor and the voltage sensor, where the input of the latter is connected parallel to the secondary winding of the transformer, arrive at the input of the level former, the signals from the outputs of which come to a logical device that forms the control impulse, whose output is supplied on the driver control, the output signal of which enters the gate of MIS transistor.

EFFECT: reduction of losses in the output rectifier and increase in the coefficient of efficiency of the converter as a whole.

3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение во вторичных источниках электропитания с гальванической развязкой для бытовой электронной техники, светодиодных осветительных приборов большой мощности и других электронных устройств.The invention relates to a conversion technique and may find application in secondary power supplies with galvanic isolation for household electronic equipment, high-power LED lighting devices and other electronic devices.

Технический результат - снижение потерь в выходном выпрямителе и повышение КПД преобразователя в целом.EFFECT: reduced losses in the output rectifier and increased efficiency of the converter as a whole.

Известны устройства аналогичного назначения - преобразователи напряжения (ПН) с резонансным режимом работы [Волович Г. Резонансные преобразователи напряжения / Г. Волович // Схемотехника. - 2003. - Вып. №8. - С. 10-12.; Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин. М.: Техносфера, 2005. - 632 с.]. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является квазирезонансный ПН [Chen Р.Т. Design and Implementation of a ZCS Two-Switch Forward Converter with Viriable Inductor / P.T. Chen, T.J. Liang, L.S. Yang, M.Y. Cheng, S.M. Chen // IEEE Energy Conversion Congression and Exposition. - 2010. - PP. 4035-4040], принятый за прототип. Этот ПН содержит первичный однотактный инвертор, собранный по схеме, известной как "косой" мост, импульсный трансформатор, выходной однофазный однополупериодный выпрямитель, резонансный контур, выходной фильтр. К недостаткам аналогов и прототипа следует отнести невозможность снижения потерь в диодном выпрямителе при увеличении рабочих токов вслед за увеличением мощности нагрузки.Known devices for a similar purpose - voltage converters (PN) with a resonant mode of operation [Volovich G. Resonant voltage converters / G. Volovich // Circuitry. - 2003. - Issue. No. 8. - S. 10-12 .; Meleshin V.I. Transistor Converter Technology / V.I. Meleshin. M .: Technosphere, 2005. - 632 p.]. The closest in its technical essence to the claimed is a quasi-resonant PN [Chen R.T. Design and Implementation of a ZCS Two-Switch Forward Converter with Viriable Inductor / P.T. Chen, T.J. Liang, L.S. Yang, M.Y. Cheng, S.M. Chen // IEEE Energy Conversion Congression and Exposition. - 2010. - PP. 4035-4040], adopted as a prototype. This PN contains a primary single-phase inverter assembled according to a scheme known as a slanting bridge, a pulse transformer, an output single-phase half-wave rectifier, a resonant circuit, an output filter. The disadvantages of analogues and prototype include the impossibility of reducing losses in the diode rectifier with an increase in operating currents following an increase in load power.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение потерь в выходном выпрямителе и, как следствие, повышение КПД преобразователя в целом.The problem to which the invention is directed is to reduce losses in the output rectifier and, as a result, increase the efficiency of the converter as a whole.

Поставленная задача решается за счет того, что в преобразователе напряжения, содержащем входной однотактный инвертор, импульсный трансформатор, выходной выпрямитель, резонансный контур и выходной индуктивно-емкостной фильтр, вместо одного из диодов выходного выпрямителя используется ключ на МДП-транзисторе, называемый синхронным выпрямителем с разработанным алгоритмом управления. Применение синхронных выпрямителей на основе МДП-транзисторов в импульсных блоках питания вместо выпрямительных диодов позволяет существенно снизить статические потери во вторичной части преобразователя. В традиционных преобразователях напряжения с широтно-импульсной модуляцией управление синхронными выпрямителями осуществляется импульсными сигналами, соответствующими по длительности импульсам управления коммутирующими ключами в первичной цепи преобразователя. В этом случае не приходится специально формировать импульсы управления. В случае использования резонансного режима переключения при нулевых значениях тока, как в представленном прототипе, сигнал управления синхронным выпрямителем не может быть сформирован с использованием только сигналов управления ключами первичного инвертора. Этот сигнал должен формироваться с учетом сигналов резонансного цикла. The problem is solved due to the fact that in a voltage converter containing an input single-cycle inverter, a pulse transformer, an output rectifier, a resonant circuit and an output inductive-capacitive filter, instead of one of the diodes of the output rectifier, a key on the MIS transistor is used, called a synchronous rectifier with a developed control algorithm. The use of synchronous rectifiers based on MOS transistors in switching power supplies instead of rectifier diodes can significantly reduce static losses in the secondary part of the converter. In traditional pulse-width modulated voltage converters, the synchronous rectifiers are controlled by pulse signals corresponding in duration to the switching pulses of the switching keys in the primary circuit of the converter. In this case, it is not necessary to specially form control pulses. In the case of using the resonant switching mode at zero current values, as in the presented prototype, the control signal of the synchronous rectifier cannot be generated using only the control signals of the keys of the primary inverter. This signal should be formed taking into account the signals of the resonance cycle.

На фиг. 1 показана структурная схема квазирезонансного преобразователя напряжения с гальванической развязкой и синхронным выпрямителем во вторичной части. In FIG. 1 shows a block diagram of a quasi-resonant voltage converter with galvanic isolation and a synchronous rectifier in the secondary part.

Преобразователь состоит из первичного однотактного инвертора 1, собранного по схеме "косой" мост, со схемой управления 2, импульсного высокочастотного трансформатора 7, выпрямительного диода 9, датчика напряжения 8, резонансного контура, состоящего из индуктивного элемента 12 и конденсатора 16, датчика тока 14, МДП-транзистора 13 и его схемы управления, состоящей из преобразователя уровней 15, логического формирователя импульсов 11, драйвера МДП-транзистора 10 и выходного фильтра, состоящего из индуктивного элемента 17 и конденсатора 18. В качестве однотактного инвертора может быть использована схема не только "косой" мост, как указано в прототипе, но и любая другая схема, аналогичная по своей физической сущности и используемая в традиционных прямоходовых преобразователях напряжения с гальванической развязкой.The converter consists of a primary single-cycle inverter 1 assembled according to an oblique bridge circuit with a control circuit 2, a pulse high-frequency transformer 7, a rectifier diode 9, a voltage sensor 8, a resonant circuit consisting of an inductive element 12 and a capacitor 16, a current sensor 14, MOS transistor 13 and its control circuit consisting of a level converter 15, a logical pulse shaper 11, a MOS transistor driver 10 and an output filter consisting of an inductive element 17 and a capacitor 18. As dnotaktnogo inverter circuit can be used not only to "skew" the bridge, as described in the prior art, but also to any other circuit, similar in its physical nature and used in traditional forward converter voltage with galvanic isolation.

Преобразователь, схема которого приведена на фиг. 1, работает следующим образом.The converter, the circuit of which is shown in FIG. 1, works as follows.

В первичной цепи преобразователь построен по известной схеме - "косой" мост. Коммутация транзисторных ключей при нулевом токе достигается за счет того, что в силовом тракте добавлен резонансный контур, образованный индуктивным компонентом 12 и резонансным конденсатором 16. Индуктивность рассеяния реального трансформатора суммируется с индуктивностью 12 по известному закону и принимает участие в резонансном цикле. Используемый резонансный режим известен как режим коммутации при нулевых значениях тока с половиной волны резонансного цикла и реализован в прототипе. При появлении отпирающего сигнала управления на транзисторных ключах 3 и 4 ток через них и ток во вторичной цепи пропорционально коэффициенту трансформации импульсного трансформатора 7 будут нарастать линейно до тех пор, пока ток во вторичной цепи через индуктивный элемент 12 и выпрямительный диод 9 не станет равным текущему значению тока дросселя выходного фильтра 17. В этот момент транзисторный ключ 13 выключен и встроенный в него диод, являющийся неотъемлемой частью силовых МДП-транзисторов, запирается, а токи в первичной и вторичной цепях будут изменяться по гармоническому закону за счет резонансного процесса до тех пор, пока их значение не станет равным нулю. В этот момент транзисторные ключи в первичной части преобразователя запираются. Как только это произойдет, в тот же момент времени выпрямительный диод 9 запирается и оставшаяся энергия, запасенная в конденсаторе резонансного контура 16, будет расходоваться в нагрузку через выходной фильтр, состоящий из дросселя 17 и конденсатора 18. Регулирование выходного напряжения или тока осуществляется по известному закону путем изменения частоты следования импульсов управления транзисторными ключами в первичной части преобразователя. Управление синхронным выпрямителем 13 осуществляется с использованием сигналов тока в его цепи, снимаемого датчиком тока 14, и напряжения на вторичной обмотке, снимаемого датчиком напряжения 8. Как правило, в качестве датчика тока используется трансформатор тока, а в качестве датчика напряжения - резистивный делитель. Могут быть использованы и другие способы снятия сигналов по току и напряжению при условии, что информативным параметром в обоих случаях является длительность этих сигналов. Сигналы с датчиков тока и напряжения поступают на преобразователь уровня 15, задача которого формировать на выходе сигналы, соответствующие по длительности импульсу тока в цепи синхронного выпрямителя и положительной части импульса напряжения на выходной обмотке трансформатора 7, а по амплитуде соответствующие стандартным уровням логических схем. Данное устройство на практике может быть построено на двух компараторах или триггерах Шмитта. Далее сформированные логические сигналы поступают на вход логического формирователя импульса 11, алгоритм работы которого описывается представленной таблицей истинности, где Id - логический сигнал, соответствующий состоянию тока, протекающего через синхронный ключ, Ut2 - логический сигнал, соответствующий состоянию напряжения на вторичной обмотке трансформатора (здесь логической единице соответствует уровень напряжения выше нуля, отрицательный уровень напряжения и равный нулю соответствуют логическому нулю), Uупр - логический сигнал управления синхронным ключом. С выхода логического формирователя импульса сигнал управления подается на затвор МДП-транзистора 13 через драйвер 10. Назначение последнего - согласование уровня напряжения и импеданса для управления затвором МДП-транзистора.In the primary circuit, the converter is built according to the well-known scheme - the "oblique" bridge. Switching transistor switches at zero current is achieved due to the fact that the resonant circuit formed by the inductive component 12 and the resonant capacitor 16 is added to the power path. The leakage inductance of a real transformer is summed with the inductance 12 according to the known law and takes part in the resonance cycle. The resonant mode used is known as the switching mode at zero current values with a half wave of the resonant cycle and is implemented in the prototype. When the trigger control signal appears on transistor switches 3 and 4, the current through them and the current in the secondary circuit are proportional to the transformation coefficient of the pulse transformer 7 will increase linearly until the current in the secondary circuit through the inductive element 12 and the rectifier diode 9 becomes equal to the current value throttle current of the output filter 17. At this moment, the transistor switch 13 is turned off and the built-in diode, which is an integral part of the power MOS transistors, is locked, and the currents in the primary and secondary circuits x will vary according to the harmonic law due to the resonance process until their value becomes equal to zero. At this moment, the transistor switches in the primary part of the converter are locked. As soon as this happens, at the same time, the rectifier diode 9 is locked and the remaining energy stored in the capacitor of the resonant circuit 16 will be consumed in the load through an output filter consisting of a inductor 17 and a capacitor 18. The output voltage or current is regulated according to the known law by changing the repetition rate of the transistor switch control pulses in the primary part of the converter. The synchronous rectifier 13 is controlled using the current signals in its circuit, taken by the current sensor 14, and the voltage on the secondary side, taken by the voltage sensor 8. As a rule, a current transformer is used as a current sensor, and a resistive divider is used as a voltage sensor. Other methods for taking current and voltage signals can be used, provided that the duration of these signals is an informative parameter in both cases. The signals from the current and voltage sensors are fed to a level 15 converter, the task of which is to generate signals at the output that correspond to the duration of the current pulse in the synchronous rectifier circuit and the positive part of the voltage pulse at the output winding of the transformer 7, and in amplitude correspond to standard levels of logic circuits. This device in practice can be built on two comparators or Schmitt triggers. Next, the generated logical signals are fed to the input of the logical pulse shaper 11, the operation algorithm of which is described by the presented truth table, where Id is the logical signal corresponding to the state of the current flowing through the synchronous key, Ut2 is the logical signal corresponding to the state of the voltage on the secondary winding of the transformer (here, the logical unity corresponds to a voltage level above zero, a negative voltage level and equal to zero correspond to a logical zero), Uupr is a logic signal ION simultaneous key. From the output of the logical pulse shaper, the control signal is supplied to the gate of the MOS transistor 13 through the driver 10. The purpose of the latter is to coordinate the voltage level and impedance to control the gate of the MOS transistor.

Вариант реализации формирователя импульса 10 представлен на фиг. 2. На фиг. 3 показаны идеализированные временные диаграммы, поясняющие режимы работы квазирезонансного преобразователя, показанного на фиг. 1. Из диаграмм видно, что фронт запирания сигнала управления синхронного ключа формируется по переднему фронту импульса напряжения вторичной обмотки трансформатора 7. При этом ввиду особенностей данного резонансного режима существует задержка между началом нарастания напряжения на конденсаторе резонансного контура и началом импульса тока через индуктивный элемент 12, что на временной оси диаграммы отмечено как t1. Данная естественная задержка используется для того, чтобы гарантировать запирание синхронного ключа при нулевом напряжении. При этом, после запирания ключа на интервале tз.выкл небольшую часть времени будет работать встроенный в МДП-транзистор диод, однако его диффузионная и барьерная емкости не будут оказывать негативного влияния на данный резонансный режим, т.к. они будут участвовать в резонансном цикле вместе с конденсатором 16, поскольку включены с ним параллельно.An embodiment of the pulse shaper 10 is shown in FIG. 2. In FIG. 3 shows idealized timing diagrams explaining the operating modes of the quasi-resonant converter shown in FIG. 1. It can be seen from the diagrams that the locking front of the synchronous key control signal is formed along the leading edge of the voltage pulse of the secondary winding of the transformer 7. In this case, due to the peculiarities of this resonant mode, there is a delay between the beginning of the voltage increase across the resonator circuit capacitor and the beginning of the current pulse through the inductive element 12, which is marked as t1 on the time axis of the chart. This natural delay is used to ensure that the synchronous key is locked at zero voltage. In this case, after locking the key in the interval t.s. off, the diode built into the MOS transistor will work for a small part of the time, however, its diffusion and barrier capacities will not adversely affect this resonant mode, since they will participate in the resonance cycle together with the capacitor 16, since they are connected in parallel with it.

Из диаграмм также видно, что для данного ПН длительность открытого состояния синхронного выпрямителя или диода, как в исходной схеме прототипа, всегда будет больше, чем длительность открытого состояния выпрямительного диода 9. Таким образом, несмотря на то, что ток, протекающий через выпрямительный диод 9, имеет амплитуду большую, чем ток нагрузки или ток, протекающий через синхронный выпрямитель, его среднее значение в большинстве случаев будет меньше, чем среднее значение тока через синхронный выпрямитель. Как известно, приближенная оценка статических потерь в диоде при прохождении импульсного тока определяется формулой Рст=Iср*Ud+Iэф*Iэф*Rd, где Iср - усредненное по времени значение тока, протекающего через диод, Iэф - эффективное или среднеквадратичное значение тока, Ud - прямое падение напряжения на диоде при малом протекающем токе, Rd - сопротивления омических областей диода при прямом смещении. Учитывая, что амплитудное напряжение на конденсаторе резонансного контура 16 равно удвоенному значению положительной части полуволны напряжения на вторичной обмотке трансформатора, в случае исходной схемы, принятой за прототип, необходимо применять диод с повышенным блокирующим напряжением. При этом известно, что у диодов с одинаковым предельным рабочим током, чем выше рабочее напряжение, тем выше прямое падение напряжения и сопротивление омических областей. В случае применения синхронного выпрямителя возможно применение высоковольтных МДП-транзисторов с малым сопротивлением открытого канала. Таким образом, снижение потерь во вторичной части за счет применения одного синхронного выпрямителя 13 будет существенным. Применение синхронного выпрямителя вместо диода 9 является затруднительным, т.к. этот диод выполняет функцию блокировки отрицательной полуволны тока резонансного цикла за счет продолжающегося резонансного процесса, а, как известно, МДП-транзистор имеет встроенный обратный диод параллельно выводам сток-исток, обладающий большой диффузионной емкостью и, следовательно, большим временем обратного восстановления, что в случае его применения вызовет паразитные процессы, резко снижающие эффективность преобразователя. Таким образом, в качестве диода 9 необходимо использовать быстродействующий импульсный диод.The diagrams also show that for this PN the duration of the open state of the synchronous rectifier or diode, as in the original circuit of the prototype, will always be longer than the duration of the open state of the rectifier diode 9. Thus, despite the fact that the current flowing through the rectifier diode 9 has an amplitude greater than the load current or the current flowing through the synchronous rectifier, its average value in most cases will be less than the average value of the current through the synchronous rectifier. As is known, an approximate estimate of the static losses in the diode during the passage of the pulse current is determined by the formula Pst = Iav * Ud + Ieff * Ief * Rd, where Iav is the time-averaged value of the current flowing through the diode, Ief is the effective or rms current value, Ud is a direct voltage drop across the diode at a small flowing current, Rd is the resistance of the ohmic regions of the diode at forward bias. Given that the amplitude voltage at the capacitor of the resonant circuit 16 is equal to twice the value of the positive part of the half-wave voltage at the secondary winding of the transformer, in the case of the initial circuit adopted as a prototype, it is necessary to use a diode with an increased blocking voltage. It is also known that for diodes with the same limiting operating current, the higher the operating voltage, the higher the direct voltage drop and the resistance of the ohmic regions. In the case of using a synchronous rectifier, it is possible to use high-voltage MOS transistors with low open channel resistance. Thus, the reduction of losses in the secondary part due to the use of one synchronous rectifier 13 will be significant. The use of a synchronous rectifier instead of diode 9 is difficult, because This diode performs the function of blocking the negative half-wave of the resonant cycle current due to the ongoing resonant process, and, as you know, the MOS transistor has a built-in reverse diode parallel to the drain-source terminals, which has a large diffusion capacitance and, therefore, a large reverse recovery time, which in the case of its application will cause parasitic processes that sharply reduce the efficiency of the converter. Thus, as a diode 9, it is necessary to use a high-speed pulse diode.

Claims

A quasi-resonant voltage converter containing a primary single-phase inverter, a pulse transformer, a rectifier, a resonant circuit, an inductive-capacitive filter, characterized in that the beginning of the secondary winding of the transformer is connected to the anode of the pulse rectifier diode, the cathode of which is connected to one end of the inductive element of the resonant circuit, the second end which is connected to one of the plates of the capacitor of the resonant circuit and to the drain of the MOS transistor, the source of which is connected in series through a current sensor with a second capacitor plate and with the end of the transformer secondary winding, one end of the output filter choke is connected to the drain of the MOS transistor, the second end of which is connected to one of the filter capacitor plates, the second plate of the latter is connected to the end of the transformer secondary winding, outputs from the current sensor and from the voltage sensor, where the input of the latter is connected parallel to the secondary winding of the transformer, they are fed to the input of the level former, the signals from the output of which are fed to the logic GUSTs forming the control pulse, the output of which is fed to the control driver, the output of which is supplied to the gate of MOS transistor.