RU2661495C1 - Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method - Google Patents

Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method Download PDF

Info

Publication number
RU2661495C1
RU2661495C1 RU2017128140A RU2017128140A RU2661495C1 RU 2661495 C1 RU2661495 C1 RU 2661495C1 RU 2017128140 A RU2017128140 A RU 2017128140A RU 2017128140 A RU2017128140 A RU 2017128140A RU 2661495 C1 RU2661495 C1 RU 2661495C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
signal
load
proportional
resonant converter
Prior art date
Application number
RU2017128140A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Викторович Алексеев
Святослав Игоревич Видякин
Вадим Геннадьевич Сергеев
Петр Михайлович Хижняков
Александр Петрович Фефелов
Алексей Михайлович Швагерев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Силовая высоковольтная электроника"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Силовая высоковольтная электроника" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Силовая высоковольтная электроника"
Priority to RU2017128140A priority Critical patent/RU2661495C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2661495C1 publication Critical patent/RU2661495C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/523Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with LC-resonance circuit in the main circuit
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/525Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output waveform or frequency
    • H02M7/527Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output waveform or frequency by pulse width modulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: electrical equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical equipment and can be used in one level direct current into the different level direct current conversion devices, in particular in power supply sources. Method of pulse-width adjustment of the output voltage of a resonant converter is that a predetermined voltage level is maintained on the load of the resonant converter, for which purpose the voltage value is measured on the load of the resonant converter and a constant voltage signal proportional to the load value is formed. Setting the setpoint voltage proportional to the supported voltage level on the load, and generating the difference signal (DS) using the proportional-integral-differentiating controller. AC signal proportional to the loop current is formed, it is converted into an AC voltage signal (ACVS) and the instant of the AC voltage signal transition through zero is monitored. Depending on the DS size, setting the PWM controller generation frequency, clocked by the voltage controlled oscillator (VCO), using which generating the certain width pulses. Pulses are supplied to the inverter key elements control electrodes, at that, providing the pulse width phase self-tuning, setting the filling factor so, at which the signal front VCO formation instant coincides in time with the instant of transition through the ACVS zero.
EFFECT: technical result consists in the pulse width phase auto-tuning by the loop current feedback introduction to provide the zero phase offset between the circulating in the loop current and control signals.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для преобразования постоянного тока одного уровня в постоянный ток другого уровня, а конкретно к способам управления этими устройствами. Изобретение применимо в источниках электропитания с выходными напряжениями от десятков вольт до сотен киловольт и выходной мощностью от единиц ватт до сотен киловатт. Источники питания, включающие в свой состав данное изобретение, могут применяться при построении систем электропитания радиопередающих устройств, рентгеновских установок, лазеров, а также зарядных устройств, сварочных аппаратов и других устройств.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for converting direct current of one level into direct current of another level, and in particular to methods of controlling these devices. The invention is applicable to power supplies with output voltages from tens of volts to hundreds of kilovolts and an output power from units of watts to hundreds of kilowatts. Power supplies incorporating this invention can be used in the construction of power systems for radio transmitting devices, x-ray machines, lasers, as well as chargers, welding machines and other devices.

Из общего уровня техники известны резонансные преобразователи постоянного тока, в частности последовательный резонансный преобразователь с подключением нагрузки последовательно резонансному LC контуру или параллельно конденсатору резонансного контура (Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: изд. Техносфера, 2005, 623 с.). Традиционно напряжение на выходе резонансных преобразователей регулируется изменением частоты переключения ключевых элементов инвертора, который может быть выполнен по схеме моста или полумоста. Для регулирования обычно используют рабочие частоты выше резонансной частоты LC контура, поскольку в данном диапазоне ключевые элементы работают в режиме «мягкой» коммутации, а именно режиме переключения при нулевых напряжениях, что обеспечивает значительное снижение динамических потерь и увеличение коэффициента полезного действия (КПД).Resonant DC converters are known from the general prior art, in particular, a series resonant converter with the load connected in series to the LC resonant circuit or parallel to the resonator circuit capacitor (Meleshin V.I. Transistor converter technology. M .: Publishing House Technosphere, 2005, 623 p.) . Traditionally, the voltage at the output of the resonant converters is regulated by changing the switching frequency of the key elements of the inverter, which can be performed according to the bridge or half-bridge circuit. For regulation, operating frequencies are usually used above the resonant frequency of the LC circuit, since in this range the key elements operate in the “soft” switching mode, namely the switching mode at zero voltages, which provides a significant reduction in dynamic losses and an increase in the efficiency coefficient (Efficiency).

Основной недостаток при использовании способа управления частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) заключается в следующем: для схемы резонансного преобразователя с подключением нагрузки последовательно резонансному LC контуру - в ограниченности диапазона регулировки выходного напряжения; для схемы с подключением нагрузки параллельно конденсатору резонансного контура - в сохранении, и даже увеличении, мощности потерь при уменьшении выходного тока преобразователя, что означает низкий КПД в таких режимах работы.The main disadvantage when using the method of controlling pulse frequency modulation (PFM) is as follows: for a resonant converter circuit with a load connected in series to a resonant LC circuit, the range of adjustment of the output voltage is limited; for a circuit with a load connected in parallel to the resonant circuit capacitor, it preserves, and even increases, the power of losses with a decrease in the output current of the converter, which means low efficiency in such operating modes.

Известен преобразователь напряжения и способ управления им (патент РФ №2251786), обеспечивающий снижение потерь на ключевых элементах инвертора благодаря синусоидальному характеру коммутируемого тока. В преобразователе напряжения и способе управления им в силовой цепи, содержащей последовательный LC-контур, обеспечивается поддержание устойчивого режима резонансного возбуждения синусоидального электрического тока, частота которого совпадает с тактовой рабочей частотой преобразователя.A known voltage converter and a method for controlling it (RF patent No. 2251786), which provides reduction of losses on the key elements of the inverter due to the sinusoidal nature of the switched current. In the voltage converter and the method of controlling it in a power circuit containing a series LC circuit, a stable mode of resonant excitation of a sinusoidal electric current is maintained, the frequency of which coincides with the clock operating frequency of the converter.

Известно также техническое решение (патент РФ №2427068), в котором устранение упомянутых недостатков обеспечивается применением регулирования выходной мощности резонансного преобразователя на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Особенностью известного способа регулирования является применение трех режимов управления - ЧИМ, ЧИМ совместно с ШИМ и ШИМ. Режим ЧИМ + ШИМ применяется в случае малой нагрузки (под малой нагрузкой в данном случае понимается выходной ток значительно ниже номинального), а режим ШИМ - в случае холостого хода. Данное решение позволяет расширить диапазон выходных напряжений области малых нагрузок.A technical solution is also known (RF patent No. 2427068), in which the aforementioned disadvantages are eliminated by applying the control of the output power of a resonant converter based on pulse-width modulation (PWM). A feature of the known method of regulation is the use of three control modes - PFM, PFM together with PWM and PWM. The PWM + PWM mode is used in case of light load (under light load in this case we mean the output current is much lower than the rated current), and the PWM mode in case of idle. This solution allows you to expand the range of output voltages of the region of small loads.

Недостатком известного технического решения является пороговый режим работы, что негативно сказывается на КПД при некоторых комбинациях выходного напряжения и выходного тока.A disadvantage of the known technical solution is the threshold mode of operation, which negatively affects the efficiency for some combinations of output voltage and output current.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается изобретением, заключается в повышении КПД резонансного преобразователя, в частности, в увеличении КПД при работе с уровнями выходной мощности значительно ниже максимальной.The technical problem, the solution of which is provided by the invention, is to increase the efficiency of the resonant converter, in particular, to increase the efficiency when working with output power levels much lower than the maximum.

Технический результат заключается в фазовой автоподстройке частоты коммутации за счет введения обратной связи по контурному току для обеспечения нулевого сдвига по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления.The technical result consists in phase-locked loop switching frequency due to the introduction of feedback on the loop current to ensure zero phase shift between the current circulating in the loop and control signals.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе широтно-импульсного регулирования выходного напряжения резонансного преобразователя, включающего инвертор с ключевыми элементами и последовательный колебательный LC-контур, поддерживают заданный уровень напряжения на нагрузке резонансного преобразователя для чего измеряют текущее значение напряжения на нагрузке резонансного преобразователя и формируют сигнал постоянного напряжения, пропорциональный величине нагрузки, на основании которого с использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора обеспечивают формирование разностного сигнала по отношению к напряжению уставки, пропорциональному поддерживаемому уровню напряжения на нагрузке, формируют сигнал переменного тока, пропорционального силе тока в колебательном контуре, преобразуют сигнал переменного тока в сигнал переменного напряжения и контролируют момент перехода сигнала переменного напряжения через нуль, а в зависимости от величины разностного сигнала формируют импульсы переменной ширины с использованием ШИМ-контроллера, тактируемого генератором управляемым напряжением, которые подают на управляющие электроды ключевых приборов инвертора, при этом обеспечивают фазовую автоподстройку частоты коммутации, устанавливая частоту следования формируемых ШИМ-контроллером импульсов, тактируемым упомянутым генератором, включенным в контур фазовой автоподстройки, такой, при которой момент формирования упомянутым генератором фронта сигнала совпадает во времени с моментом перехода через нуль упомянутого сигнала переменного напряжения, пропорционального силе тока в колебательном контуре.The claimed technical result is achieved by the fact that in the method of pulse-width regulation of the output voltage of the resonant converter, including an inverter with key elements and a series oscillatory LC circuit, maintain a given voltage level at the load of the resonant converter, which measures the current voltage value at the load of the resonant converter and forms DC voltage signal proportional to the load, based on which using proportions Onal-integral-differentiating regulator provides the formation of a differential signal with respect to the set voltage proportional to the supported voltage level on the load, generates an AC signal proportional to the current strength in the oscillatory circuit, converts the AC signal into an AC voltage signal and controls the moment of transition of the AC voltage signal through zero, and depending on the value of the difference signal, pulses of variable width are formed using PWM-k an ontroller clocked by a controlled voltage generator, which is supplied to the control electrodes of the key devices of the inverter, while providing phase-locked loop switching frequency, setting the repetition rate of the pulses generated by the PWM controller, clocked by the said generator included in the phase-locked loop, such that the moment of formation mentioned the signal edge generator coincides in time with the moment of transition through zero of the said alternating voltage signal, proportional to nogo current strength in the resonant circuit.

Изобретение использует принцип управления ЧИМ + ШИМ во всем диапазоне, что позволит получить более высокий КПД.The invention uses the principle of PWM + PWM control over the entire range, which will allow for higher efficiency.

Одним из ключевых преимуществ резонансных преобразователей по сравнению с другими импульсными источниками питания является «мягкая» коммутация ключевых элементов, обеспечивающая уменьшение динамических потерь мощности и увеличение КПД преобразователя. В резонансном преобразователе с управлением на основе ЧИМ в диапазоне частот переключения выше резонансной частоты LC контура условия для обеспечения режима «мягкой» коммутации ключевых элементов выполняются автоматически. С другой стороны, преимущества резонансного преобразователя проявляются наилучшим образом в окрестности рабочей точки, соответствующей номинальному выходному напряжению и току, а также максимальной выходной мощности преобразователя.One of the key advantages of resonant converters in comparison with other switching power supplies is the “soft” switching of key elements, which ensures a decrease in dynamic power losses and an increase in the efficiency of the converter. In a resonant converter with PFM control in the switching frequency range above the resonant frequency of the LC circuit, the conditions for ensuring the soft switching mode of key elements are fulfilled automatically. On the other hand, the advantages of a resonant converter are best shown in the vicinity of the operating point corresponding to the rated output voltage and current, as well as the maximum output power of the converter.

Для решения поставленной технической проблемы с получением заявленного технического результата применяется управление на основе ШИМ, а также комбинированное ЧИМ + ШИМ управление. Техническая сложность реализации данных видов управления заключается в отсутствии автоматического выполнения условий обеспечения режима «мягкой» коммутации, что может привести к росту динамических потерь в ключевых элементах, уменьшению их надежности и наработки на отказ, а также непосредственно к отказу. На наличие или отсутствие режима переключения при нуле напряжения влияет комбинация факторов: частоты коммутации, ширины заполнения и выходного тока преобразователя (нагрузки). Следствием является необходимость осуществления регулировки параметров преобразователя. Система управления должна осуществлять не только регулировку выходного напряжения преобразователя по заведомо известным математическим формулам, но и «подстраивать коэффициенты» в этих формулах в зависимости от выходного тока.To solve the technical problem posed with obtaining the claimed technical result, PWM-based control is used, as well as combined PWM + PWM control. The technical complexity of the implementation of these types of control lies in the lack of automatic fulfillment of the conditions for ensuring the soft switching mode, which can lead to an increase in dynamic losses in key elements, a decrease in their reliability and MTBF, as well as directly to failure. The presence or absence of switching mode at zero voltage is affected by a combination of factors: switching frequency, filling width and output current of the converter (load). The consequence is the need for adjusting the parameters of the Converter. The control system must not only adjust the output voltage of the converter according to known mathematical formulas, but also "adjust the coefficients" in these formulas depending on the output current.

Заявленное изобретение использует простой критерий наличия или отсутствия режима «мягкой» коммутации. Для обеспечения «мягкой» коммутации ключевых элементов в резонансном преобразователе с последовательным LC контуром необходимо и достаточно обеспечить запаздывание по фазе циркулирующего тока в контуре относительно сигналов управления ключевыми элементами. Увеличение частоты увеличивает разницу фаз, но также увеличивает уровень статических и динамических потерь в преобразователе. Для улучшения КПД преобразователя целесообразно обеспечить нулевой сдвиг по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления. Это также означает, что ключевые элементы должны переключаться в момент прохождения контурного тока через ноль.The claimed invention uses a simple criterion for the presence or absence of the mode of "soft" switching. To ensure “soft” switching of key elements in a resonant converter with a series LC circuit, it is necessary and sufficient to ensure phase delay of the circulating current in the circuit relative to the key element control signals. Increasing the frequency increases the phase difference, but also increases the level of static and dynamic losses in the converter. To improve the efficiency of the converter, it is advisable to provide a zero phase shift between the current circulating in the circuit and the control signals. It also means that key elements must switch at the moment the loop current passes through zero.

Следовательно, совокупность существенных признаков, приведенная в формуле изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата и позволяет решить поставленную техническую проблему.Therefore, the set of essential features given in the claims ensures the achievement of the claimed technical result and allows us to solve the technical problem.

Заявленный способ поясняется далее со ссылкой на чертежи, где наThe claimed method is explained further with reference to the drawings, where

фиг. 1 изображена схема резонансного преобразователя с последовательным резонансным контуром и подключением нагрузки последовательно конденсатору контура;FIG. 1 shows a diagram of a resonant converter with a series resonant circuit and connecting the load in series to the circuit capacitor;

фиг. 2 изображена схема резонансного преобразователя с последовательным резонансным контуром и подключением нагрузки параллельно конденсатору контура;FIG. 2 shows a diagram of a resonant converter with a series resonant circuit and connecting the load parallel to the circuit capacitor;

фиг. 3 изображены эпюры сигналов управления ключевыми элементами, циркулирующего в контуре тока ik и напряжения на выходе инвертора Uab при запаздывании тока ik по фазе;FIG. 3 shows diagrams of control signals for key elements circulating in the current circuit ik and voltage at the inverter output Uab when the current ik is delayed in phase;

фиг. 4 изображены эпюры сигналов управления ключевыми элементами, циркулирующего в контуре тока ik и напряжения на выходе инвертора Uab при опережении тока ik по фазе;FIG. 4 shows diagrams of control signals for key elements circulating in the current circuit ik and voltage at the inverter output Uab when the current ik is ahead in phase;

фиг. 5 изображена функциональная схема с обратной связью по контурному току, обеспечивающая реализацию заявленного способа;FIG. 5 shows a functional diagram with feedback on the loop current, ensuring the implementation of the claimed method;

фиг. 6 изображена структурная схема системы управления, обозначенная на фиг. 5 как СУ.FIG. 6 is a structural diagram of a control system indicated in FIG. 5 as SU.

На чертежах использованы следующие обозначения:The following notation is used in the drawings:

V1, V2, V3, V4 - ключевые элементы;V1, V2, V3, V4 - key elements;

D1, D2, D3, D4 - антипараллельные диоды;D1, D2, D3, D4 - antiparallel diodes;

Lp, Ср - элементы резонансного контура;Lp, Cp - elements of the resonant circuit;

Т, Т1 - трансформатор;T, T1 - transformer;

ВВ - выпрямитель;BB - rectifier;

ВФ - выходной фильтр;VF - output filter;

РчН - эквивалентное сопротивление нагрузки;RFN is the equivalent load resistance;

ДН - датчик напряжения;DN - voltage sensor;

ДТ - датчик тока;DT - current sensor;

СУ - система управления;SU - control system;

ZC - детектор перехода сигнала через нуль;ZC - zero signal transition detector;

ФД - фазовый детектор (схема сравнения фаз);PD - phase detector (phase comparison scheme);

ФНЧ - фильтр нижних частот;Low-pass filter - low-pass filter;

ГУН - генератор управляемый напряжением;VCO - voltage controlled oscillator;

1/2 - делитель частоты;1/2 - frequency divider;

ШИМ - схема широтно-импульсной модуляции, ШИМ-контроллер;PWM - pulse width modulation scheme, PWM controller;

ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор;PID - proportional-integral-differential controller;

СФУС - схема формирования управляющих сигналов.SFUS - a scheme for the formation of control signals.

Способ широтно-импульсного регулирования выходного напряжения резонансного преобразователя реализуется следующим образом.The method of pulse-width regulation of the output voltage of the resonant converter is implemented as follows.

Задача регулирования заключается в поддерживании заданного уровня напряжения на нагрузке 1 резонансного преобразователя (фиг. 5). Для реализации указанной задачи, используя датчик 2 напряжения, измеряют текущее значение напряжения на нагрузке 1 резонансного преобразователя и формируют сигнал постоянного напряжения, пропорциональный величине нагрузки. На основании указанного сигнала формируют разностный сигнал с использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора 3 (ПИД регулятора), на вход которого подают так же напряжение уставки Uуст. Напряжение уставки выбирают пропорциональным поддерживаемому уровню напряжения на нагрузке резонансного преобразователя. Для реализации обратной связи по контурному току формируют сигнал переменного тока, пропорционального силе тока в колебательном контуре, который измеряют датчиком 4 тока, преобразуют сигнал переменного тока в сигнал переменного напряжения. Указанные операции необходимы для обеспечения возможности контроля момента перехода сигнала переменного напряжения через нуль. Далее формируют управляющий сигнал, который подают на управляющие электроды ключевых элементов 5 инвертора. Управляющий сигнал формируют с использованием ШИМ-контроллера 6, тактируемого генератором 7 управляемым напряжением (ГУН). Частоту генерации ГУН 7 устанавливают зависимости от величины разностного сигнала, сформированного с использованием ПИД регулятора 3. Фазовую автоподстройку частоты коммутации обеспечивают, устанавливая частоту следования формируемых ШИМ-контроллером 6 импульсов, который тактируется ГУН 7, включенным в контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), такой, при которой момент формирования ГУН 7 фронта сигнала совпадает во времени с моментом перехода через нуль сигнала переменного напряжения, пропорционального силе тока в колебательном контуре. Таким образом обеспечивается нулевой сдвиг по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления.The regulation task is to maintain a given voltage level at the load 1 of the resonant transducer (Fig. 5). To accomplish this task, using the voltage sensor 2, measure the current voltage value at the load 1 of the resonant transducer and generate a constant voltage signal proportional to the load value. Based on the indicated signal, a difference signal is generated using the proportional-integral-differentiating controller 3 (PID controller), the input of which also supplies the set voltage U set . The setpoint voltage is selected proportional to the supported voltage level at the load of the resonant converter. To implement feedback on the loop current, an alternating current signal is generated proportional to the current strength in the oscillating circuit, which is measured by the current sensor 4, and the alternating current signal is converted into an alternating voltage signal. These operations are necessary to provide the ability to control the moment of transition of the AC signal through zero. Next, form a control signal, which is fed to the control electrodes of the key elements 5 of the inverter. The control signal is generated using a PWM controller 6, clocked by a voltage controlled oscillator (VCO) 7. The generation frequency of the VCO 7 is determined by the magnitude of the difference signal generated using the PID controller 3. The phase-locked loop of the switching frequency is provided by setting the repetition rate of the pulses generated by the PWM controller 6, which is clocked by the VCO 7 included in the phase-locked loop (PLL), such at which the moment of formation of the VCO 7 of the signal front coincides in time with the moment of transition through zero of the AC signal proportional to the current strength in the oscillatory ntur. This ensures zero phase shift between the current circulating in the circuit and the control signals.

Следовательно, для реализации заявленного способа необходимо:Therefore, to implement the claimed method, it is necessary:

1) измерять циркулирующий в резонансном контуре переменный ток;1) measure the alternating current circulating in the resonant circuit;

2) управлять ключевыми элементами посредством изменения частоты повторения управляющих сигналов, таким образом, чтобы момент включения ключевого элемента совпадал с моментом прохождения контурного тока через ноль.2) control the key elements by changing the repetition frequency of the control signals, so that the moment of switching on the key element coincides with the moment of passage of the loop current through zero.

Способ может быть реализован в устройстве включающем: инвертор, который может быть полумостовым или мостовым; резонансный контур, последовательный по отношению к выходу инвертора; датчик тока на основе любых известных физических принципах, позволяющих преобразовывать переменный ток в пропорциональный ему сигнал, удобный для обработки системой управления; нагрузка контура, включенная в контур последовательно или параллельно конденсатору контура, представляющая собой выпрямитель, фильтр низких частот и непосредственно нагрузку резонансного преобразователя; датчик напряжения на основе любых известных физических принципах, преобразующий напряжение на нагрузке резонансного преобразователя в пропорциональный ему сигнал, удобный для обработки системой управления; систему управления, функцией которой является генерация сигналов управления ключевыми элементами инвертора с целью стабилизации напряжения на выходе резонансного преобразователя, такие, что сдвиг фазы между циркулирующим в контуре током и сигналами управления ключевыми элементами был минимален.The method can be implemented in a device including: an inverter, which can be half-bridge or bridge; resonant circuit, consistent with the output of the inverter; a current sensor based on any known physical principles that allow converting alternating current into a signal proportional to it, convenient for processing by the control system; the load of the circuit included in the circuit in series or parallel to the capacitor of the circuit, which is a rectifier, a low-pass filter and directly the load of the resonant converter; a voltage sensor based on any known physical principles that converts the voltage at the load of the resonant transducer into a signal proportional to it, convenient for processing by the control system; a control system whose function is to generate control signals for the key elements of the inverter to stabilize the voltage at the output of the resonant converter, such that the phase shift between the current circulating in the circuit and the control signals of the key elements is minimal.

Физическая реализация этих алгоритмических принципов осуществляется введением в систему управления контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система управления должна содержать блок, отслеживающий момент перехода циркулирующего в контуре тока через нуль, формируя на своем выходе импульсный сигнал. Полученный импульсный сигнал при необходимости преобразовывается и подается на схему сравнения фаз системы ФАПЧ. ФАПЧ включает в себя генератор управляемый напряжением (ГУН), который синтезирует сигнал, тактирующий схему ШИМ. Принцип работы ФАПЧ заключается в наличии обратной связи, подстраивающей частоту сигнала на выходе ГУН таким образом, что разница фаз между этим сигналом и входным является минимальной. Регулировка и стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью принципов ШИМ-управления, а система ФАПЧ стремится установить минимальную рабочую частоту, при которой все еще обеспечивается режим «мягкой» коммутации.The physical implementation of these algorithmic principles is carried out by introducing a phase locked loop (PLL) into the control system. The control system must contain a unit that monitors the instant of transition of the current circulating in the circuit through zero, forming a pulse signal at its output. The resulting pulse signal, if necessary, is converted and fed to the phase comparison circuit of the PLL system. The PLL includes a voltage controlled oscillator (VCO) that synthesizes a signal clocking a PWM circuit. The principle of the PLL is the presence of feedback, adjusting the frequency of the signal at the output of the VCO so that the phase difference between this signal and the input is minimal. Adjustment and stabilization of the output voltage is carried out using the principles of PWM control, and the PLL system seeks to establish the minimum operating frequency at which the soft switching mode is still provided.

Данные принципы управления применимы и для известных топологий резонансных преобразователей более высокого порядка, таких как LCC, LLC, LLCC и других топологий, включающих в себя хотя бы один индуктивный элемент, соединенный последовательно с нагрузкой относительно выхода инвертора.These control principles are also applicable to well-known topologies of resonant converters of a higher order, such as LCC, LLC, LLCC and other topologies, which include at least one inductive element connected in series with the load relative to the output of the inverter.

Показанные фиг. 1 и 2 известные схемы резонансных преобразователей с последовательным резонансным контуром и подключением нагрузки последовательно (фиг. 1) и параллельно конденсатору контура (фиг. 2) приведены для пояснения. Выпрямитель ВВ может быть выполнен по мостовой схеме, схеме удвоителя тока, или другой. Выходной фильтр ВФ может быть емкостным, индуктивно-емкостным, или выполненным по более сложной схеме. Выбор схемы выпрямителя и выходного фильтра с точки зрения заявляемого изобретения не является существенным. На фиг. 3 показан случай запаздывания тока ik по фазе и выполнения условий мягкого переключения; на фиг. 4 - случай опережения тока ik по фазе. Характерное изменение формы Uab выявляет отсутствие мягкого переключения. Это нежелательный (в крайнем случае - аварийный) режим работы.Shown in FIG. 1 and 2, known circuits of resonant converters with a series resonant circuit and connecting the load in series (Fig. 1) and parallel to the capacitor circuit (Fig. 2) are given for explanation. The explosive rectifier can be made according to a bridge circuit, a current doubler circuit, or another. The output filter VF can be capacitive, inductive-capacitive, or performed in a more complex scheme. The choice of rectifier circuit and output filter from the point of view of the claimed invention is not significant. In FIG. 3 shows the case of the current delay ik in phase and the fulfillment of soft switching conditions; in FIG. 4 - the case of the advance of the current ik in phase. A characteristic change in the shape of the Uab reveals a lack of soft switching. This is an undesirable (in extreme cases - emergency) mode of operation.

Функциональная схема, приведенная на фиг. 5 иллюстрирует отличие, реализованное в изобретении, заключающееся в использовании датчика 4 циркулирующего тока (ДТ), сигнал которого поступает на систему управления 9 (СУ), т.е. наличие обратной связи по контурному току. Измерение контурного тока может осуществляться, к примеру, с помощью трансформатора тока и не составляет практической сложности на настоящем уровне техники.The functional diagram shown in FIG. 5 illustrates the difference realized in the invention, which consists in the use of a circulating current sensor (DC) 4, the signal of which is fed to a control system 9 (CS), i.e. feedback on loop current. The loop current measurement can be carried out, for example, using a current transformer and is not of practical complexity at the present level of technology.

Возможность регулировки и стабилизации выходного напряжения резонансного преобразователя путем изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала (ШИМ) и частоты повторения управляющего сигнала (ЧИМ) является известной. С точки зрения улучшения КПД желательно, чтобы коэффициент заполнения и частота повторения были как можно меньше, однако некоторые их комбинации приводят к утрате важного полезного свойства традиционного резонансного преобразователя - «мягкой» коммутации.The ability to adjust and stabilize the output voltage of the resonant converter by changing the duty cycle of the control signal (PWM) and the repetition frequency of the control signal (PFM) is known. From the point of view of improving efficiency, it is desirable that the duty cycle and repetition rate be as low as possible, however, some of their combinations lead to the loss of an important useful property of the traditional resonant transducer - “soft” switching.

Способ регулирования позволяет автоматически выбирать минимальную рабочую частоту и коэффициент заполнения, при которых все еще выполняются условия обеспечения «мягкой» коммутации ключевых элементов. Критерием предлагается считать наличие запаздывания циркулирующего в контуре тока относительно сигналов управления ключевыми элементами.The control method allows you to automatically select the minimum operating frequency and duty cycle at which the conditions for ensuring "soft" switching of key elements are still fulfilled. The criterion is proposed to consider the presence of a delay in the current circulating in the circuit relative to the control signals of key elements.

Пояснение принципа работы удобнее начать с описания работы резонансного преобразователя, собранного по схеме на фиг. 2. На фиг. 3 и 4 показаны эпюры работы резонансного преобразователя, собранного по схеме на фиг. 2, причем на эпюрах, обозначенных буквой «a)» (фиг. 3, 4) показаны противофазные сигналы управления ключевыми элементами 5 резонансного преобразователя. Ключевые элементы 5 управляются попарно противофазными сигналами, так что одновременно открыты или ключи (ключевые элементы) V1, V4, или V2, V3 на фиг. 2. На эпюрах, обозначенных буквой «b)» (фиг. 3 и 4), показаны циркулирующий в контуре ток ik и напряжение на выходе инвертора Uab. Хорошо видно, что на фиг. 3 контурный ток переходит через нуль немного позже фронта сигнала включения, что обеспечивает наличие режима переключения при нулевом напряжении. На фиг. 4 контурный ток переходит через нуль немного раньше фронта сигнала включения, что приводит к специфическому искажению формы Uab, означающему отсутствие режима переключения при нулевом напряжении. Таким образом, очевидна принципиальная возможность как качественного определения, работает ли резонансный преобразователь в режиме «мягкой» коммутации, так и количественного определения, в частности насколько допустимо уменьшить запаздывание контурного тока по фазе относительно управляющих сигналов.An explanation of the principle of operation is more convenient to begin with a description of the operation of the resonant converter assembled according to the circuit in FIG. 2. In FIG. 3 and 4 are diagrams of the operation of the resonant converter assembled according to the circuit of FIG. 2, and the diagrams indicated by the letter “a)” (Figs. 3, 4) show antiphase control signals of key elements 5 of the resonant transducer. Key elements 5 are controlled in pairs by antiphase signals, so that either the keys (key elements) V1, V4, or V2, V3 in FIG. 2. The diagrams marked with the letter “b)” (Figs. 3 and 4) show the current ik circulating in the circuit and the voltage at the inverter output Uab. It is clearly seen that in FIG. 3, the loop current passes through zero a little later than the edge of the enable signal, which ensures the presence of a switching mode at zero voltage. In FIG. 4, the loop current passes through zero a little earlier than the edge of the enable signal, which leads to a specific distortion of the shape of Uab, which means that there is no switching mode at zero voltage. Thus, the fundamental possibility of both a qualitative determination of whether the resonant transducer is operating in soft switching mode and a quantitative determination, in particular, how much it is permissible to reduce the delay of the loop current in phase with respect to the control signals, is obvious.

Измерение контурного тока может осуществляться, к примеру, с помощью трансформатора тока и не составляет практической сложности на настоящем уровне техники.The loop current measurement can be carried out, for example, using a current transformer and is not of practical complexity at the present level of technology.

Входными сигналами системы управления 9 является сигнал с датчика 2 напряжения Uос, пропорциональный напряжению на выходе преобразователя, а также сигнал с датчика 4 тока ik, пропорциональный циркулирующему в контуре току. Согласно заявленному способу, система управления должна отслеживать момент перехода контурного тока ik через нуль. На фиг. 6 детектор 10 перехода сигнала через нуль, обозначенный как ZC, формирует на своем выходе импульсный сигнал, фронты которого совпадают с моментами перехода входного сигнала через нуль. Физическая реализация такого устройства известна и может быть выполнена как в аналоговом, так и в цифровом виде. Среди аналоговых вариантов широко известно исполнение на основе операционного компаратора.The input signals of the control system 9 is the signal from the voltage sensor 2 Uoc, proportional to the voltage at the output of the converter, as well as the signal from the current sensor 4 ik, proportional to the current circulating in the circuit. According to the claimed method, the control system must track the transition moment of the loop current ik through zero. In FIG. 6, the detector 10 of the signal crossing through zero, denoted as ZC, generates a pulse signal at its output, whose edges coincide with the moments when the input signal passes through zero. The physical implementation of such a device is known and can be performed in both analog and digital form. Among the analog options, the performance based on the operational comparator is widely known.

Полученный с детектора 10 сигнал поступает на систему фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ 8. ФАПЧ представляет собой систему с обратной связью, автоматически подстраивающую частоту на своем выходе так, чтобы фаза сигнала на входе и на выходе ФАПЧ совпадали. Поскольку запаздывание контурного тока по фазе зависит помимо прочих факторов от рабочей частоты, то существует возможность подбора рабочей частоты, так чтобы это запаздывание отсутствовало, вне зависимости от комбинации других факторов. С точки зрения теории автоматического управления ФАПЧ является классическим решением задач такого типа. Детальные принципы работы ФАПЧ и техническая реализация известны специалистам.The signal received from the detector 10 is fed to the phase-locked loop PLL 8. The PLL is a feedback system that automatically adjusts the frequency at its output so that the phase of the signal at the input and output of the PLL coincides. Since the delay of the loop current in phase depends, among other factors, on the operating frequency, it is possible to select the working frequency so that this delay is absent, regardless of the combination of other factors. From the point of view of the theory of automatic control, the PLL is a classical solution to problems of this type. The detailed principles of the PLL and the technical implementation are known to specialists.

Поскольку ФАПЧ уже включает в себя генератор 7 управляемый напряжением (ГУН), то целесообразно использовать данный ГУН для тактирования схемы ШИМ (ШИМ-контроллера). В настоящее время существуют интегральные микросхемы ШИМ, также известные как ШИМ-контроллеры, с возможностью внешнего тактирования. Комбинация ГУН и такого ШИМ-контроллера позволяет генерировать импульсные сигналы с управляемым коэффициентом заполнения и частотой.Since the PLL already includes a voltage controlled oscillator (VCO) 7, it is advisable to use this VCO to clock the PWM circuit (PWM controller). Currently, there are PWM integrated circuits, also known as PWM controllers, with the possibility of external clocking. The combination of a VCO and such a PWM controller allows the generation of pulsed signals with a controlled duty cycle and frequency.

Регулирование и стабилизация выходного напряжения осуществляется путем изменения частоты следования управляющих импульсов. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 3 сравнивает сигнал обратной связи Uос и опорный сигнал Uуст, после чего выдает разностный сигнал (сигнал рассогласования) на схему ШИМ 6 (ШИМ-контроллер). Принципы работы и физическая реализация ПИД-регуляторов являются широко известными.Regulation and stabilization of the output voltage is carried out by changing the repetition rate of the control pulses. The proportional-integral-differential controller 3 compares the feedback signal Uoc and the reference signal Uust, after which it outputs the difference signal (error signal) to the PWM 6 circuit (PWM controller). The operating principles and physical implementation of PID controllers are well known.

Указанная последовательность действий, реализованная в устройстве, схема которого приведена на фиг. 5 обеспечивает регулирование широтно-импульсное регулирование выходного напряжения резонансного преобразователя посредством формирования сигналов управления переменной частоты (частоты коммутации), которые подаются на управляющие электроды ключевых элементов 5 инвертора. Причем для повышения КПД резонансного преобразователя обеспечивается фазовая автоподстройка частоты коммутации за счет введения обратной связи по контурному току для обеспечения нулевого сдвига по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления.The specified sequence of actions implemented in the device, a diagram of which is shown in FIG. 5 provides regulation of pulse-width regulation of the output voltage of the resonant converter by generating control signals of variable frequency (switching frequency), which are supplied to the control electrodes of the key elements 5 of the inverter. Moreover, to increase the efficiency of the resonant converter, a phase-locked loop of the switching frequency is provided by introducing feedback on the loop current to provide zero phase shift between the current circulating in the loop and the control signals.

Claims (1)

Способ широтно-импульсного регулирования выходного напряжения резонансного преобразователя, включающего инвертор с ключевыми элементами и последовательный колебательный LC-контур, характеризующийся тем, что поддерживают заданный уровень напряжения на нагрузке резонансного преобразователя, для чего измеряют величину напряжения на нагрузке резонансного преобразователя и формируют сигнал постоянного напряжения, пропорционального величине нагрузки, на основании которого с использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора обеспечивают формирование разностного сигнала по отношению к напряжению уставки, пропорциональному поддерживаемому уровню напряжения на нагрузке, формируют сигнал переменного тока, пропорционального силе тока в колебательном контуре, преобразуют сигнал переменного тока в сигнал переменного напряжения и контролируют момент перехода сигнала переменного напряжения через нуль, а в зависимости от величины разностного сигнала формируют импульсы переменной ширины с использованием ШИМ-контроллера, тактируемого генератором, управляемым напряжением, которые подают на управляющие электроды ключевых элементов инвертора, при этом обеспечивают фазовую автоподстройку частоты коммутации, устанавливая частоту следования формируемых ШИМ-контроллером импульсов, тактируемых упомянутым генератором, включенным в контур фазовой автоподстройки, такую, при которой момент формирования упомянутым генератором фронта сигнала совпадает во времени с моментом перехода через нуль упомянутого сигнала переменного напряжения, пропорционального силе тока в колебательном контуре.A method of pulse-width regulation of the output voltage of a resonant converter, including an inverter with key elements and a series LC oscillatory circuit, characterized in that a predetermined voltage level is maintained at the load of the resonant converter, for which the voltage value at the load of the resonant converter is measured and a constant voltage signal is generated, proportional to the load, based on which using proportional-integral-differentiating its regulator provides the formation of a differential signal with respect to the setpoint voltage proportional to the supported voltage level at the load, generates an AC signal proportional to the current strength in the oscillatory circuit, converts the AC signal into an AC voltage signal and controls the moment the AC voltage signal passes through zero, and depending on the value of the difference signal, pulses of variable width are formed using a PWM controller, a clocked oscillator m, controlled by voltage, which are supplied to the control electrodes of the key elements of the inverter, while providing phase-locked loop switching frequency, setting the repetition rate of the pulses generated by the PWM controller, clocked by the mentioned generator, included in the loop phase-locked loop, such that the moment of formation by the said front generator of the signal coincides in time with the moment of crossing through zero the aforementioned AC voltage signal, proportional to the current strength in the oscillatory nture.
RU2017128140A 2017-08-08 2017-08-08 Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method RU2661495C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128140A RU2661495C1 (en) 2017-08-08 2017-08-08 Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128140A RU2661495C1 (en) 2017-08-08 2017-08-08 Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2661495C1 true RU2661495C1 (en) 2018-07-17

Family

ID=62917229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128140A RU2661495C1 (en) 2017-08-08 2017-08-08 Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2661495C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU226417U1 (en) * 2024-02-25 2024-06-04 Андрей Алексеевич Тельнов Voltage inverter control device with phase-locked loop switching frequency and asymmetric pulse-width modulation of control signals

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2060220B (en) * 1979-10-10 1983-12-07 Tektronix Inc Converter circuit employing pulse-width modulation
EP0107313B1 (en) * 1982-09-13 1986-12-10 Ferranti plc Resonant current-driven power source
US4692851A (en) * 1985-02-02 1987-09-08 Attwood Brian E Harmonic-resonant power supply
CN1595780A (en) * 2003-09-08 2005-03-16 艾默生网络能源有限公司 Control method and apparatus for series resonance DC/DC converter
RU2251786C2 (en) * 2003-01-08 2005-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственно- конструкторское предприятие "ИРИС" Voltage converter and its control process
RU2427068C2 (en) * 2005-12-30 2011-08-20 Эмерсон Нетворк Пауэ, Энерджи Системс, Норт Америка, Инк. Resonant direct current converter and control method of this converter
WO2017103201A1 (en) * 2015-12-17 2017-06-22 Koninklijke Philips N.V. Control circuit and method for controlling a resonant converter and power inverter comprising the resonant converter and the control circuit

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2060220B (en) * 1979-10-10 1983-12-07 Tektronix Inc Converter circuit employing pulse-width modulation
EP0107313B1 (en) * 1982-09-13 1986-12-10 Ferranti plc Resonant current-driven power source
US4692851A (en) * 1985-02-02 1987-09-08 Attwood Brian E Harmonic-resonant power supply
RU2251786C2 (en) * 2003-01-08 2005-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственно- конструкторское предприятие "ИРИС" Voltage converter and its control process
CN1595780A (en) * 2003-09-08 2005-03-16 艾默生网络能源有限公司 Control method and apparatus for series resonance DC/DC converter
RU2427068C2 (en) * 2005-12-30 2011-08-20 Эмерсон Нетворк Пауэ, Энерджи Системс, Норт Америка, Инк. Resonant direct current converter and control method of this converter
WO2017103201A1 (en) * 2015-12-17 2017-06-22 Koninklijke Philips N.V. Control circuit and method for controlling a resonant converter and power inverter comprising the resonant converter and the control circuit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU226417U1 (en) * 2024-02-25 2024-06-04 Андрей Алексеевич Тельнов Voltage inverter control device with phase-locked loop switching frequency and asymmetric pulse-width modulation of control signals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2427068C2 (en) Resonant direct current converter and control method of this converter
US8879285B2 (en) Power converter for outputting power to a system
US9190909B2 (en) Control device for multiphase interleaved DC-DC converter and control method thereof
EP2544354B1 (en) Power converter circuit with AC output
US4529927A (en) Apparatus for the control of a switched power regulator
JP2012501696A (en) Surgical high-frequency generator
US8503205B2 (en) AC/DC converter with a PFC and a DC/DC converter
KR100458910B1 (en) Power charging device using multiple energy sources
CN107112998B (en) FLL Oscillator/clock with FLL control Loop
KR20120132355A (en) Hybrid control techniques for series resonant converter
US10615680B2 (en) Control apparatus for power converter
US20080151583A1 (en) Inverter apparatus
TWI462442B (en) Control circuit for power converter and related control method
US8363431B2 (en) Oscillator having time-variant frequency deviation and related power supply
JP2016093001A (en) Control device of ac/dc converter
TWI672899B (en) Method for controlling resonant converter
RU2662228C1 (en) Method of frequency-pulse regulation of resonant converter with phase auto-tuning of pulse width
US11515799B2 (en) Resonant converter controller circuit for controlling resonant converter converting input DC voltage into DC voltage
RU2661495C1 (en) Resonant converter with switching frequency automatic phase tuning width-pulse adjustment method
KR20230171407A (en) Synthesis control device for grid following control and grid forming control
JP6144374B1 (en) Power converter
JPH08266045A (en) Dc-dc converter
RU2289195C1 (en) Method for controlling resonance-tuned inverter with antiparallel diodes
EP4102709A1 (en) Multi-cell switching power converter and control method
RU2339993C1 (en) Method of reversible pulse dc voltage converter control with stabilisation of limit current

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200809