RU2734903C1 - Device for resonance charge of capacitor - Google Patents

Device for resonance charge of capacitor Download PDF

Info

Publication number
RU2734903C1
RU2734903C1 RU2020112371A RU2020112371A RU2734903C1 RU 2734903 C1 RU2734903 C1 RU 2734903C1 RU 2020112371 A RU2020112371 A RU 2020112371A RU 2020112371 A RU2020112371 A RU 2020112371A RU 2734903 C1 RU2734903 C1 RU 2734903C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
inductance
voltage
cycle
transistor
Prior art date
Application number
RU2020112371A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Доля
Виктор Иванович Смирнов
Original Assignee
Объединенный Институт Ядерных Исследований
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 Объединенный Институт Ядерных Исследований filed Critical Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority to RU2020112371A priority Critical patent/RU2734903C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2734903C1 publication Critical patent/RU2734903C1/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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/125Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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
    • H02M3/135Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: electrical equipment.SUBSTANCE: device for resonance charge of capacitor relates to electrical engineering and conversion equipment and can be used to supply pulse loads. Device includes power supply, in-series connected to it transistor, inductance and capacitor. Rechargeable inductance and limiting transistor are connected in parallel to the capacitor. Due to the capacitor recharging to the voltage of the opposite sign, the charging current amplitudes from the cycle to the cycle increase as to value and thereby increase the energy transferred to the capacitor from the cycle to the cycle and reduce the capacitor charging time.EFFECT: invention solves technical problem of charging capacitor to voltage several times higher than voltage of power supply source, and reduction of charge time.1 cl, 4 dwg

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники и может применяться для питания импульсных нагрузок. Уровень техникиThe invention relates to the field of electrical engineering and converting technology and can be used to power pulse loads. State of the art

Известно устройство для заряда суперконденсаторных батарей, в котором реализован способ резонансного заряда («Устройство для зарядки суперконденсаторных батарей» RU 177140 U1 от 14.02.2017), упрощенная схема которого приведена на фиг. 1. Оно состоит из конденсатора источника питания 1, подключенных к нему транзистора 2 и 6, конденсатора 4, подключенных к нему транзисторов 5 и 7, между общими точками транзисторов 2, 6 и транзисторов 5, 7 подключена индуктивность 3. Первый цикл зарядки, (фиг. 2), происходит от конденсатора источника питания 1 по последовательной цепи транзистор 2, индуктивность 3, транзистор 6, конденсатор 4. До определенных величин емкости конденсатора 4 за первый цикл он теоретически может зарядиться до двойного напряжения источника питания. Каждый последующий цикл подзарядки конденсатора 4 происходит в два этапа: при подключении индуктивности 3 к конденсатору источника питания 1 через транзисторы 2, 7 в ней происходит накопление энергии, при переключении ее к конденсатору 4 через транзисторы 5,6 происходит его подзарядка. За несколько таких циклов напряжение на конденсаторе может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Поэтому это устройство и принимается в качестве прототипа, хотя оно и несколько отличается схематически от предлагаемого устройства.A device for charging supercapacitor batteries is known, which implements the method of resonant charging ("Device for charging supercapacitor batteries" RU 177140 U1 dated 02.14.2017), a simplified diagram of which is shown in Fig. 1. It consists of a capacitor of the power supply 1, transistor 2 and 6 connected to it, capacitor 4, transistors 5 and 7 connected to it, inductance 3 is connected between the common points of transistors 2, 6 and transistors 5, 7 3. The first charging cycle, ( Fig. 2), comes from the capacitor of the power supply 1 through the series circuit transistor 2, inductance 3, transistor 6, capacitor 4. To certain values of the capacitance of the capacitor 4 in the first cycle, it can theoretically be charged to double the voltage of the power supply. Each subsequent cycle of recharging the capacitor 4 occurs in two stages: when the inductance 3 is connected to the capacitor of the power source 1 through transistors 2, 7, energy is accumulated in it, when it is switched to capacitor 4 through transistors 5,6, it is recharged. Over several such cycles, the voltage across the capacitor can be several times the voltage of the power supply. Therefore, this device is accepted as a prototype, although it differs somewhat schematically from the proposed device.

В прототипе за один цикл подзарядки в конденсатор передается фиксированная энергия, потому что амплитуда тока в индуктивности определяется только величиной напряжения на входном конденсаторе, что ограничивает амплитуду зарядного тока и увеличивает время заряда конденсатора. Кроме того отключение транзистора 2, через который передается энергия в индуктивность, происходит при максимальном токе, что приводит к повышенным потерям (жесткая коммутация транзисторов).In the prototype, in one charging cycle, a fixed energy is transferred to the capacitor, because the amplitude of the current in the inductance is determined only by the voltage across the input capacitor, which limits the amplitude of the charging current and increases the charging time of the capacitor. In addition, the transistor 2, through which energy is transferred to the inductance, is turned off at maximum current, which leads to increased losses (hard switching of transistors).

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Технической задачей изобретения является заряд конденсатора до напряжения в несколько раз превышающего напряжение источника питания и сокращение времени заряда. Для этого предлагается устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор.The technical problem of the invention is to charge the capacitor to a voltage several times higher than the voltage of the power supply and to reduce the charging time. For this, a device for resonant charging of a capacitor is proposed, including a capacitor of a power source, to which a series-connected transistor, an inductance and a capacitor are connected, and in parallel with the capacitor, a series-connected recharge inductance and a limiting transistor are connected.

Описание фигур.Description of figures.

Фиг. 1. Упрощенная схема прототипа.FIG. 1. Simplified diagram of the prototype.

1 - конденсатор источника питания, 2, 5, 6, 7 - транзисторы, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор.1 - power supply capacitor, 2, 5, 6, 7 - transistors, 3 - inductance, 4 - capacitor.

Прототип (фиг. 1) состоит из конденсатора источника питания 1, к которому подключены последовательно включенные транзисторы 2 и 6, конденсатора 4, которому подключены последовательно включенные транзисторы 5 и 7, между общими точками транзисторов 2, 6 и транзисторов 5 и 7 подключена индуктивность 3.The prototype (Fig. 1) consists of a power supply capacitor 1 to which transistors 2 and 6 are connected in series, a capacitor 4 to which transistors 5 and 7 are connected in series, between the common points of transistors 2, 6 and transistors 5 and 7, inductance 3 is connected ...

Фиг. 2. Временные диаграммы токов и напряжений и токов прототипа.FIG. 2. Timing diagrams of currents and voltages and currents of the prototype.

i1 - ток через индуктивность, i2 - ток через конденсатор, Uc - напряжение на выходном конденсатореi1 is the current through the inductance, i2 is the current through the capacitor, Uc is the voltage across the output capacitor

Принцип работы прототипа заключается в следующем (фиг. 2).The principle of operation of the prototype is as follows (Fig. 2).

В интервале времени 0-t1 через последовательно включенные транзистор 2, индуктивность 3, транзистор 5 и конденсатор 4 протекает ток, который заряжает конденсатор 4 от нуля до некоторого напряжения. В интервале времени t1-t2 через последовательно включенные транзисторы 2, 7 и индуктивность 3 протекает ток, при этом в индуктивности 3 запасается энергия, которая в интервале времени t2-t3 подзаряжает конденсатор 4. Во времена третьего и последующих циклов величина передаваемой в конденсатор энергии не меняется.In the time interval 0-t1, a current flows through the series-connected transistor 2, inductance 3, transistor 5 and capacitor 4, which charges the capacitor 4 from zero to a certain voltage. In the time interval t1-t2, current flows through the series-connected transistors 2, 7 and inductance 3, while energy is stored in inductance 3, which in the time interval t2-t3 recharges the capacitor 4. During the third and subsequent cycles, the amount of energy transferred to the capacitor is not is changing.

Фиг. 3. Устройство для резонансного заряда конденсатора.FIG. 3. Device for resonant charging of a capacitor.

1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 8 - перезарядная индуктивность, 9 - ограничивающий транзистор, Un - напряжение источника питания.1 - power supply capacitor, 2 - transistor, 3 - inductance, 4 - capacitor, 8 - recharge inductance, 9 - limiting transistor, Un - power supply voltage.

Устройство для резонансного заряда конденсатора состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 8 и ограничивающий транзистор 9.The device for resonant charging of the capacitor consists of a capacitor of a power supply 1, in series with which a transistor 2, an inductance 3, a capacitor 4 are connected, in parallel to which a recharge inductance 8 and a limiting transistor 9 are connected.

Фиг. 4. Временные диаграммы напряжений и токов.FIG. 4. Timing diagrams of voltages and currents.

U1 - инапряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение управления ограничивающим транзистором 9, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 8, Uc - напряжение на конденсаторе 4.U1 is the control voltage of the transistor 2, U2 is the control voltage of the limiting transistor 9, i1 is the current flowing through the inductance 3, i2 is the current flowing through the recharge inductance 8, Uc is the voltage across the capacitor 4.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 4), на которых: U1 - напряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение, i1 - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 8, Uc - напряжение на конденсаторе 4. Первоначально напряжение на конденсаторе относительно «земли» равно нулю. В момент времени t=0 открываются транзистор 2 и ограничивающий транзистор 9, происходит первоначальный заряд конденсатора квазисинусоидальным импульсом тока по цепи 1, 2, 3, 4. Ток протекает и по цепи перезарядная индуктивность 8, ограничивающий транзистор 9, но он намного ниже зарядного тока через конденсатор 4, так как величина перезарядной индуктивности 8 в несколько раз больше чем индуктивности 3. После снижения зарядного тока до нуля и закрытия транзистора 2 (t1) (мягкая коммутация) положительно заряженный конденсатор 4 перезаряжается через перезарядную индуктивность 5 и ограничивающий транзистор 8 до отрицательного напряжения, более чем в два раза превышающего напряжение источника питания. Ограничивающий транзистор 8 постоянно открыт до заряда конденсатора 4 до заданного напряжения. В момент t2 открывается транзистор 2, напряжения источника питания и конденсатора складываются, импульс зарядного тока выше, соответственно выше и увеличение напряжения на конденсаторе при этом цикле. Второй цикл заканчивается в момент t4, при этом напряжение на конденсаторе 4 увеличится сравнению с первым циклом. После нескольких циклов заряд-перезаряд напряжение на конденсаторе в несколько раз превысит двойное напряжение источника питания. Когда оно достигнет заданного значения, ограничивающий транзистор 8 закрывается, последний цикл состоит только из интервала перезарядки конденсатора через источник питания (tn-tn+1). Заряженный конденсатор разряжается на физическую нагрузку.The principle of operation of the device is illustrated by timing diagrams (Fig. 4), in which: U1 is the control voltage of the transistor 2, U2 is the voltage, i1 is the current flowing through the inductance 3, i2 is the current flowing through the recharge inductance 8, Uc is the voltage across the capacitor 4. Initially, the voltage across the capacitor relative to ground is zero. At the time t = 0, transistor 2 and the limiting transistor 9 open, the initial charge of the capacitor occurs with a quasi-sinusoidal current pulse along the circuit 1, 2, 3, 4. The current also flows through the circuit recharging inductance 8, limiting the transistor 9, but it is much lower than the charging current through the capacitor 4, since the value of the recharge inductance 8 is several times greater than the inductance 3. After the charging current decreases to zero and the transistor 2 (t1) is closed (soft switching), the positively charged capacitor 4 is recharged through the recharge inductance 5 and the limiting transistor 8 to negative more than twice the voltage of the power supply. The limiting transistor 8 is constantly on until the capacitor 4 is charged to a predetermined voltage. At the moment t2, the transistor 2 opens, the voltages of the power supply and the capacitor are added, the charging current pulse is higher, respectively, higher and the voltage across the capacitor increases during this cycle. The second cycle ends at time t4, while the voltage across the capacitor 4 will increase compared to the first cycle. After several charge-recharge cycles, the voltage across the capacitor will be several times twice the power supply voltage. When it reaches a predetermined value, the limiting transistor 8 is closed, the last cycle consists only of the interval of recharging the capacitor through the power supply (tn-tn + 1). The charged capacitor is discharged during exercise.

Расчеты показывают, что при индуктивности 3 - L=0,004 Гн, перезарядной индуктивности 5 - L=0,025 Гн, конденсаторе 4 - С=6 мкФ после первого цикла напряжение на конденсаторе 4 превысит напряжение источника питания в 2,51 раза, через 5 циклов - в 10,2 раза, а через 10 циклов - в 20,6 раз (для прототипа через 5 циклов в 2,23 раза, через 10 циклов в 3,16 раза).Calculations show that with inductance 3 - L = 0.004 H, recharge inductance 5 - L = 0.025 H, capacitor 4 - C = 6 μF after the first cycle, the voltage on capacitor 4 will exceed the voltage of the power supply by 2.51 times, after 5 cycles - 10.2 times, and after 10 cycles - 20.6 times (for the prototype after 5 cycles, 2.23 times, after 10 cycles, 3.16 times).

Таким образом, в каждый последующий цикл заряда конденсатора в него вводится большая энергия по сравнению с предыдущим циклом. Этот результат достигается за счет того, что параллельно конденсатору подключены перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор. Благодаря этому, после цикла заряда конденсатора, от конденсатора источника питания происходит резонансный перезаряд конденсатора от положительного напряжения до отрицательного без ввода энергии, а амплитуда зарядного тока каждого последующего цикла определяется суммой напряжений на конденсаторе источника питания и возрастающего от цикла к циклу напряжения на конденсаторе.Thus, in each subsequent cycle of charging the capacitor, more energy is introduced into it compared to the previous cycle. This result is achieved due to the fact that a recharge inductance and a limiting transistor are connected in parallel to the capacitor. Due to this, after a cycle of charging the capacitor, a resonant recharging of the capacitor from positive voltage to negative without energy input occurs from the capacitor of the power supply, and the amplitude of the charging current of each subsequent cycle is determined by the sum of the voltages on the capacitor of the power supply and the voltage on the capacitor increasing from cycle to cycle.

Литература.Literature.

1. Полезная модель к изобретению «Устройство для зарядки суперконденсаторных батарей» RU 177140 U1 от 14.02.2017.1. Utility model to the invention "Device for charging supercapacitor batteries" RU 177140 U1 dated 02.14.2017.

Claims (1)

Устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, отличающееся тем, что параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор.A device for resonant charging of a capacitor, including a capacitor of a power source, to which a series-connected transistor, an inductance and a capacitor are connected, characterized in that a series-connected recharge inductance and a limiting transistor are connected in parallel with the capacitor.
RU2020112371A 2020-03-24 2020-03-24 Device for resonance charge of capacitor RU2734903C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020112371A RU2734903C1 (en) 2020-03-24 2020-03-24 Device for resonance charge of capacitor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020112371A RU2734903C1 (en) 2020-03-24 2020-03-24 Device for resonance charge of capacitor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2734903C1 true RU2734903C1 (en) 2020-10-26

Family

ID=72949109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020112371A RU2734903C1 (en) 2020-03-24 2020-03-24 Device for resonance charge of capacitor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2734903C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2760979C1 (en) * 2021-04-26 2021-12-02 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Device for forming a sawtooth voltage on capacitor
RU2770864C1 (en) * 2021-09-14 2022-04-22 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Capacitor resonant charging device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2155425C1 (en) * 1999-06-25 2000-08-27 Сибирский государственный индустриальный университет Capacitor bank charging device
RU165105U1 (en) * 2016-03-11 2016-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН" BOOST DC / DC CONVERTER
US9742266B2 (en) * 2013-09-16 2017-08-22 Arctic Sand Technologies, Inc. Charge pump timing control
RU177140U1 (en) * 2017-02-14 2018-02-12 Общество С Ограниченной Ответственностью "Ультраконденсаторы Феникс" DEVICE FOR CHARGING SUPERCAPACITOR BATTERIES

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2155425C1 (en) * 1999-06-25 2000-08-27 Сибирский государственный индустриальный университет Capacitor bank charging device
US9742266B2 (en) * 2013-09-16 2017-08-22 Arctic Sand Technologies, Inc. Charge pump timing control
RU165105U1 (en) * 2016-03-11 2016-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН" BOOST DC / DC CONVERTER
RU177140U1 (en) * 2017-02-14 2018-02-12 Общество С Ограниченной Ответственностью "Ультраконденсаторы Феникс" DEVICE FOR CHARGING SUPERCAPACITOR BATTERIES

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2760979C1 (en) * 2021-04-26 2021-12-02 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Device for forming a sawtooth voltage on capacitor
RU2770864C1 (en) * 2021-09-14 2022-04-22 Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) Capacitor resonant charging device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6853898B2 (en) Friction Nanogenerator Power Management Modules, Management Methods, Energy Systems and Friction Electronics Energy Extractors
RU2734903C1 (en) Device for resonance charge of capacitor
Lee et al. A power-efficient wireless capacitor charging system through an inductive link
CN103633839A (en) Improved Z-source boosting DC (direct current)-DC converter
Do et al. A rectifier for piezoelectric energy harvesting system with series synchronized switch harvesting inductor
Angelov et al. A fully integrated multilevel synchronized-switch-harvesting-on-capacitors interface for generic PEHs
JP2015154627A (en) Voltage step-down circuit and voltage step-down and charge circuit using the same
CN203883673U (en) Improved Z-source boost DC-DC converter
JP2017022953A (en) Step-down circuit and step-down charging circuit using the same
CN203537232U (en) Charge pump device
RU177140U1 (en) DEVICE FOR CHARGING SUPERCAPACITOR BATTERIES
Cheng et al. A 0.25 μm HV-CMOS synchronous inversion and charge extraction (SICE) interface circuit for piezoelectric energy harvesting
KR101753753B1 (en) Energy harvester using piezoelectric element
de Queiroz et al. Electrostatic energy harvesting using doublers of electricity
CN103326576B (en) Switch type regulator and control method thereof
RU2770864C1 (en) Capacitor resonant charging device
Jain et al. High gain resonant boost converter for PV micro-converter system
CN110380643B (en) Micro-scale vibration energy collecting system and energy capturing method thereof
RU83160U1 (en) PULSE LOAD POWER SUPPLY DEVICE
TWI684314B (en) Pwm/pfm dual mode charging system
CN103475221B (en) The boost chopper that two metal-oxide-semiconductor no-voltage is opened is realized under discontinuous conduct mode
RU2760979C1 (en) Device for forming a sawtooth voltage on capacitor
CN203590034U (en) Switch power supply circuit
Chamanian et al. A self-powered integrated interface circuit for low power piezoelectric energy harvesters
RU2658624C1 (en) Charging-discharging device