RU2821803C1 - Shuvaev's multiphase resonant voltage converter - Google Patents
Shuvaev's multiphase resonant voltage converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821803C1 RU2821803C1 RU2024102248A RU2024102248A RU2821803C1 RU 2821803 C1 RU2821803 C1 RU 2821803C1 RU 2024102248 A RU2024102248 A RU 2024102248A RU 2024102248 A RU2024102248 A RU 2024102248A RU 2821803 C1 RU2821803 C1 RU 2821803C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charging
- resonant
- transformer
- converter
- transistors
- Prior art date
Links
- 238000007600 charging Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании и разработке вторичных источников электропитания различного назначения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular converter technology, and can be used in the design and development of secondary power supplies for various purposes.
Известны различные резонансные преобразователи напряжения, содержащие ключевые транзисторы, трансформатор и резонансный контур, состоящий из конденсатора и дросселя, обеспечивающий практически синусоидальную форму кривой тока в силовых цепях, переключение транзисторов при минимальном значении протекающего через них тока и, вследствие этого, имеющие минимальные динамические потери мощности [1-6].Various resonant voltage converters are known, containing key transistors, a transformer and a resonant circuit consisting of a capacitor and an inductor, providing an almost sinusoidal shape of the current curve in power circuits, switching transistors at a minimum value of the current flowing through them and, as a result, having minimal dynamic power losses [1-6].
Недостатком этих преобразователей являются большие объем и масса элементов и сравнительно низкий КПД.The disadvantage of these converters is the large volume and weight of the elements and relatively low efficiency.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является полумостовой резонансный преобразователь напряжения, содержащий два МОП - транзистора с обратными диодами, резонансные конденсатор и дроссель, трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр [6].The closest to the proposed technical solution, which can be accepted as a prototype, is a half-bridge resonant voltage converter containing two MOS transistors with freewheeling diodes, a resonant capacitor and inductor, a transformer, a rectifier and a smoothing filter [6].
В предлагаемом многофазном резонансном преобразователе напряжения обеспечивается снижение объема и массы элементов и повышение КПД за счет усовершенствования схемы и дальнейшего уменьшения потерь мощности при переключении транзисторов т.к. их включение и выключение осуществляются при полностью нулевом токе в контуре коммутации, а также исключения сквозных токов при коммутации транзисторов.The proposed multiphase resonant voltage converter ensures a reduction in the volume and weight of elements and an increase in efficiency by improving the circuit and further reducing power losses when switching transistors because their switching on and off is carried out at completely zero current in the switching circuit, as well as eliminating through currents when switching transistors.
Для достижения технического результата в предлагаемом преобразователе использовано несколько каскадов (преобразовательных ячеек), состоящих из зарядного и разрядного колебательных резонансных контуров, включающих в себя ключевой транзистор, резонансные конденсатор и дроссель и первичную обмотку трансформатора. Зарядный контур обеспечивает передачу энергии от источника питания в конденсатор и нагрузку в течение первого полупериода, а разрядный контур - разряд конденсатора и также передачу энергии в нагрузку в течение второго полупериода.To achieve the technical result, the proposed converter uses several cascades (conversion cells), consisting of charging and discharging oscillatory resonant circuits, including a key transistor, a resonant capacitor and inductor, and the primary winding of the transformer. The charging circuit ensures the transfer of energy from the power source to the capacitor and the load during the first half-cycle, and the discharge circuit ensures the discharge of the capacitor and also transfers energy to the load during the second half-cycle.
Преимуществом предлагаемого преобразователя является то, что в нем энергия передается в нагрузку в течение обоих полупериодов коммутации транзисторов при заряде конденсаторов и при их разряде. В отличие от известных схем, на резонансные конденсаторы в течение обоих полупериодов подается однополярное напряжение, что позволяет использовать полярные конденсаторы, имеющие лучшие объемно - массовые характеристики по сравнению с неполярными.The advantage of the proposed converter is that it transfers energy to the load during both half-cycles of transistor switching when charging capacitors and when discharging them. Unlike known circuits, a unipolar voltage is applied to the resonant capacitors during both half-cycles, which allows the use of polar capacitors that have better volume-mass characteristics compared to non-polar ones.
Из изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое изобретение позволяет получить положительный результат.From the foregoing it can be concluded that the proposed invention allows one to obtain a positive result.
Позиционные номера элементов схем преобразователя, обозначение токов, напряжений и других параметров элементов, относящихся к первому, второму и третьему каскадам, отмечены, соответственно, одним, двумя и тремя штрихами; относящихся к зарядному и разрядному контурам и транзисторам, соответственно, индексами "з" и “р”; относящихся к первичным и вторичным обмоткам трансформаторов, соответственно, индексами "1" и "2".The position numbers of the elements of the converter circuits, the designation of currents, voltages and other parameters of the elements related to the first, second and third stages are marked, respectively, with one, two and three strokes; relating to charging and discharging circuits and transistors, respectively, with the indices “z” and “p”; relating to the primary and secondary windings of transformers, respectively, with indices “1” and “2”.
Элементы и узлы схем преобразователей:Elements and components of converter circuits:
1, 2 - зарядный и разрядный ключевые транзисторы; 3 - резонансный конденсатор; 4 - резонансный дроссель; 5 - трансформатор; 6, 7 - зарядная и разрядная первичные обмотки трансформатора; 8, 9 зарядная и разрядная вторичные обмотки трансформатора; 10 - выпрямительный узел; 11 - комплект прямых диодов; 12 - комплект обратных диодов; 13 - сглаживающий фильтр.1, 2 - charging and discharging key transistors; 3 - resonant capacitor; 4 - resonant choke; 5 - transformer; 6, 7 - charging and discharging primary windings of the transformer; 8, 9 charging and discharging secondary windings of the transformer; 10 - rectifier unit; 11 - set of direct diodes; 12 - set of reverse diodes; 13 - smoothing filter.
Основные параметры преобразователя и их обозначение:Main parameters of the converter and their designation:
Uп - напряжение источника питания;U p - power source voltage;
Uн, Iн - напряжение и ток нагрузки;U n , I n - load voltage and current;
k - количество каскадов преобразователя;k - number of converter stages;
m - число фаз преобразователя;m - number of converter phases;
ϕ - угол фазового сдвига между управляющими импульсами двух каскадов;ϕ is the phase shift angle between the control pulses of the two cascades;
uуз, uур - напряжение зарядных и разрядных управляющих импульсов;u uz , u ur - voltage of charging and discharging control pulses;
uсз, ucp - напряжение на конденсаторе при заряде и разряде;u сз , u cp - voltage on the capacitor during charge and discharge;
i1з, i1p - ток зарядной и разрядной первичных обмоток трансформатора;i 1з , i 1p - current of the charging and discharging primary windings of the transformer;
i2з, i2p - ток зарядной и разрядной вторичных обмоток трансформатора;i 2з , i 2p - current of the charging and discharging secondary windings of the transformer;
u2з, u2p - напряжение на вторичных обмотках трансформатора;u 2з , u 2p - voltage on the secondary windings of the transformer;
τ1, τ2 - длительность полупериодов собственных колебаний контура;τ 1 , τ 2 - duration of half-periods of natural oscillations of the circuit;
f=1/(τ1+τ2) - частота собственных колебаний контура;f=1/(τ 1 +τ 2 ) - frequency of natural oscillations of the circuit;
Δτ1, Δτ2 - временные промежутки между управляющими импульсами и полупериодами собственных колебаний контура;Δτ 1 , Δτ 2 - time intervals between control pulses and half-periods of the circuit’s own oscillations;
t1, t2 - длительность управляющих импульсов;t 1 , t 2 - duration of control pulses;
Δt1, Δt2 - длительность временных интервалов между управляющими импульсами;Δt 1 , Δt 2 - duration of time intervals between control pulses;
Т=(t1+Δt1)+(t2+Δt2) - период переключений (коммутации) транзисторов;T=(t 1 +Δt 1 )+(t 2 +Δt 2 ) - switching period of transistors;
F=1/Т - частота переключений транзисторов.F=1/T - switching frequency of transistors.
В заявке представлены схемы резонансных преобразователей напряжения с количеством каскадов k=1, 2, 3 и числом фаз m=2, 4, 6. Основные исходные данные для этих преобразователей приведены в таблице 1.The application presents circuits of resonant voltage converters with the number of stages k=1, 2, 3 and the number of phases m=2, 4, 6. The main initial data for these converters are given in Table 1.
Структурная схема однокаскадного резонансного преобразователя напряжения с количеством каскадов k=1 и числом фаз m=2 представлена на фиг. 1. Преобразователь содержит первый 1' и второй 2' ключевые транзисторы, резонансный конденсатор 3', резонансный дроссель 4', трансформатор 5' с зарядной 6' и разрядной 7' первичными и 8', 9' вторичными обмотками, а также выпрямительный узел 10 и устройство управления (на схеме фиг. 1 не показано).The block diagram of a single-stage resonant voltage converter with the number of stages k=1 and the number of phases m=2 is shown in Fig. 1. The converter contains the first 1' and second 2' key transistors, a resonant capacitor 3', a resonant choke 4', a transformer 5' with a charging 6' and a discharge 7' primary and 8', 9' secondary windings, as well as a rectifier unit 10 and a control device (not shown in the diagram of Fig. 1).
Транзистор 1', первичная обмотка 6' трансформатора 5', конденсатор 3' и дроссель 4' соединены последовательно, образуют колебательный резонансный зарядный контур и подключены к выводам источника питания. Транзистор 2' и первичная обмотка 7' трансформатора 5' также соединены последовательно, образуют разрядный контур и подключены к свободным выводам последовательно соединенных конденсатора 3' и дросселя 4'. Вторичные обмотки 8', 9' трансформатора 5' соединены последовательно и согласно и их свободные выводы и общая точка подключены соответственно к входным выводам а, б, 0 выпрямительного узла 10, состоящего из комплекта прямых 11 и обратных 12 диодов и сглаживающего фильтра 13. Выпрямительный узел 10 (фиг. 2) выполнен по схеме выпрямителя, описанного в [9], и имеет по сравнению с традиционными выпрямителями улучшенные объемно - массовые и энергетические характеристики.Transistor 1', primary winding 6' of transformer 5', capacitor 3' and inductor 4' are connected in series, forming an oscillatory resonant charging circuit and connected to the terminals of the power source. The transistor 2' and the primary winding 7' of the transformer 5' are also connected in series, form a discharge circuit and are connected to the free terminals of a series-connected capacitor 3' and inductor 4'. The secondary windings 8', 9' of the transformer 5' are connected in series and in accordance with each other, and their free terminals and the common point are connected, respectively, to the input terminals a, b, 0 of the rectifier unit 10, consisting of a set of forward 11 and reverse 12 diodes and a smoothing filter 13. Rectifier node 10 (Fig. 2) is made according to the rectifier circuit described in [9], and has improved volumetric, mass and energy characteristics compared to traditional rectifiers.
Диаграммы токов и напряжений на элементах преобразователя, схема которого приведена на фиг. 1, представлены на фиг. 3. Длительность полупериодов собственных колебаний зарядного и разрядного контуров зависят от емкости резонансного конденсатора и индуктивности резонансного дросселя, которые выбираются при проектировании и расчете преобразователя. Расчетная длительность управляющих импульсов t1' и t2' должна быть больше, чем длительность полупериодов собственных колебаний контура τ1' и τ2', что обеспечивает устройство управления преобразователя при всех режимах его работы. Между управляющими импульсами uуз' и uур' и импульсами напряжения на конденсаторе uсз' и uср' предусмотрены временные промежутки Δτ1' и Δτ2', для того, чтобы исключить возможность преждевременного закрывания транзисторов при конечном (не нулевом) токе контура и обеспечить минимальные динамические потери мощности при выключении транзисторов. Минимальное значение Δτ1' и Δτ2' должно быть достаточным для обеспечения времени для рассасывания носителей в базовом переходе транзисторов.Diagrams of currents and voltages on the elements of the converter, the diagram of which is shown in Fig. 1 are presented in Fig. 3. The duration of the half-cycles of natural oscillations of the charging and discharge circuits depends on the capacitance of the resonant capacitor and the inductance of the resonant choke, which are selected when designing and calculating the converter. The calculated duration of control pulses t 1 ' and t 2 ' must be greater than the duration of half-periods of the circuit's natural oscillations τ 1 ' and τ 2 ', which ensures the control device of the converter in all modes of its operation. Between the control pulses u з ' and u ur ' and the voltage pulses on the capacitor u сз ' and u ср ' time intervals Δτ 1 ' and Δτ 2 ' are provided in order to exclude the possibility of premature closing of the transistors at a finite (non-zero) circuit current and ensure minimal dynamic power losses when the transistors are turned off. The minimum value of Δτ 1 ' and Δτ 2 ' must be sufficient to provide time for carrier resorption in the base junction of the transistors.
Регулирование и стабилизация выходного напряжения преобразователя осуществляются системой автоматического регулирования устройства управления изменением временных интервалов между управляющими импульсами Δt1' и Δt2', причем их минимальное значение должно быть не меньше, чем Δτ1' и Δτ2'. При таком способе регулирования изменяются период Т и частота F переключений транзисторов.Regulation and stabilization of the converter output voltage is carried out by an automatic control system of the control device for changing the time intervals between control pulses Δt 1 ' and Δt 2 ', and their minimum value must be no less than Δτ 1 ' and Δτ 2 '. With this control method, the period T and switching frequency F of the transistors change.
При работе преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения при минимальном напряжении источника питания Uп и максимальном токе нагрузки Iн временные интервалы Δt1' и Δt2' имеют минимальное значение, а частота коммутации транзисторов F - максимальное. При максимальном Uп и минимальном L временные интервалы - максимальные, а частота F - минимальная.When the converter operates in output voltage stabilization mode at a minimum power supply voltage U p and a maximum load current I n, the time intervals Δt 1 ' and Δt 2 ' have a minimum value, and the switching frequency of transistors F has a maximum. At maximum U p and minimum L, time intervals - maximum, and frequency F - minimum.
Резонансный преобразователь напряжения, схема которого приведена на фиг. 1, работает следующим образом.A resonant voltage converter, the diagram of which is shown in Fig. 1 works as follows.
Зарядный и разрядный контуры работают поочередно с частотой коммутации F ключевых транзисторов 1', 2' в соответствии с управляющими импульсами uуз' и uур' длительностью t1 и t2, подаваемыми устройством управления на их базы. Длительность управляющих импульсов t1, t2 определяется параметрами преобразователя и номинальной частотой коммутации транзисторов. Управляющие импульсы подаются с временными интервалами Δt1' и Δt2' между ними. При включенном состоянии транзистора 1' происходит резонансный заряд конденсатора 3' напряжением источника питания через указанный транзистор, первичную обмотку 6' трансформатора 5' и резонансный дроссель 4'. В течение времени t1 формируется положительная полуволна тока контура i1з имеющая форму, близкую к синусоидальной. Ток контура трансформируется и через вторичную обмотку 8' трансформатора 5' и выпрямительный узел 10' передается в нагрузку.The charging and discharging circuits operate alternately with the switching frequency F of the key transistors 1', 2' in accordance with the control pulses u uz ' and u ur ' with duration t 1 and t 2 supplied by the control device to their bases. The duration of control pulses t 1 , t 2 is determined by the parameters of the converter and the nominal switching frequency of the transistors. Control pulses are supplied with time intervals Δt 1 ' and Δt 2 ' between them. When the transistor 1' is on, a resonant charge of the capacitor 3' occurs with the voltage of the power source through the specified transistor, the primary winding 6' of the transformer 5' and the resonant inductor 4'. During time t 1, a positive half-wave of current circuit i 13 is formed, having a shape close to sinusoidal. The circuit current is transformed and transmitted to the load through the secondary winding 8' of the transformer 5' and the rectifier unit 10'.
При включенном состоянии транзистора 2' происходит резонансный разряд конденсатора 3'. Разрядный ток контура в течение времени t2 протекает через транзистор 2', первичную обмотку 7' и резонансный дроссель 4'. При этом, аналогично положительной формируется отрицательная полуволна i1р, которая также передается на нагрузку.When the transistor 2' is turned on, a resonant discharge of the capacitor 3' occurs. The discharge current of the circuit during time t 2 flows through the transistor 2', the primary winding 7' and the resonant inductor 4'. In this case, similarly to the positive one, a negative half-wave i 1р is formed, which is also transmitted to the load.
В начале и в конце каждого полупериода коммутации транзисторов в течение временных интервалов Δt1' и Δt2' оба транзистора закрыты.At the beginning and at the end of each half-cycle of switching the transistors during the time intervals Δt 1 ' and Δt 2 ', both transistors are closed.
Коммутационные динамические потери мощности происходят в транзисторах при их включении и выключении, в начале и в конце каждого из полупериодов процесса заряда и разряда резонансного конденсатора. Уменьшение указанных потерь в предлагаемом преобразователе по сравнению с известными обеспечивается следующим образом.Switching dynamic power losses occur in transistors when they are turned on and off, at the beginning and at the end of each half-cycle of the process of charging and discharging a resonant capacitor. The reduction of these losses in the proposed converter in comparison with the known ones is ensured as follows.
В начале обоих полупериодов ток контуров равен нулю. При включении транзистора в момент окончания временных интервалов Δt1', Δt2', при подаче управляющего импульса на базу транзистора, он открывается, его коллекторный ток начинает плавно нарастать и изменяется по синусоиде в течение длительности управляющих импульсов t1', t2', достигает максимума и начинает спадать.At the beginning of both half-cycles, the circuit current is zero. When the transistor is turned on at the end of the time intervals Δt 1 ', Δt 2 ', when a control pulse is applied to the base of the transistor, it opens, its collector current begins to gradually increase and changes along a sinusoid during the duration of the control pulses t 1 ', t 2 ', reaches a maximum and begins to decline.
При выключении транзистора, в момент окончания полупериодов синусоидальных колебаний контуров τ1' и τ2', напряжение на конденсаторе достигает максимального или нулевого значения, ток контура становится равным нулю и сохраняет нулевые значения в течение временных интервалов Δt1' и Δt2', однако управляющее напряжение с базы транзистора пока не снимается. В момент окончания временных промежутков Δτ1', Δτ2' устройство управления снимает управляющие импульсы с базы транзистора и он закрывается при полностью нулевом токе коллектора.When the transistor is turned off, at the end of the half-periods of sinusoidal oscillations of the circuits τ 1 ' and τ 2 ', the voltage on the capacitor reaches a maximum or zero value, the circuit current becomes zero and remains zero during the time intervals Δt 1 ' and Δt 2 ', however The control voltage from the base of the transistor is not yet removed. At the end of the time intervals Δτ 1 ', Δτ 2 ', the control device removes control pulses from the base of the transistor and it closes at completely zero collector current.
При описанных переходных процессах потери мощности при включении транзисторов весьма незначительны, а при выключении равны нулю.During the described transient processes, the power loss when the transistors are turned on is very insignificant, and when turned off they are zero.
При работе преобразователя напряжения на конденсаторе не изменяет знак, что позволяет использовать в схеме полярные конденсаторы, имеющие значительно меньшие удельные объем и массу, чем неполярные.When the voltage converter operates, the sign on the capacitor does not change, which makes it possible to use polar capacitors in the circuit, which have a significantly smaller specific volume and mass than non-polar ones.
При необходимости обеспечения равенства амплитуды положительной и отрицательной полуволн напряжения на вторичных обмотках трансформатора его первичные обмотки выполняют с разным количеством витков.If it is necessary to ensure equality of the amplitude of the positive and negative voltage half-waves on the secondary windings of the transformer, its primary windings are made with a different number of turns.
Другой вариант схемы однокаскадного резонансного преобразователя напряжения приведен на фиг. 4 и фиг. 5, а диаграммы токов и напряжений на его элементах - на фиг. 6. Отличия этого преобразователя от рассмотренного заключаются в том, что токи и напряжения на зарядной и разрядной обмотках трансформатора совпадают по фазе, используется одна вторичная обмотка трансформатора, а из схемы выпрямительного узла исключен комплект прямых диодов. Последний признак объясняется тем, что на выводах а, 6 вторичной обмотки трансформатора уже сформировано однополярное напряжение в течение обоих полупериодов коммутации транзисторов. Функцию прямых диодов выпрямительного узла выполняют зарядный и разрядный транзисторы.Another version of the single-stage resonant voltage converter circuit is shown in Fig. 4 and fig. 5, and diagrams of currents and voltages on its elements are in Fig. 6. The differences between this converter and the one considered are that the currents and voltages on the charging and discharge windings of the transformer are in phase, one secondary winding of the transformer is used, and a set of direct diodes is excluded from the rectifier unit circuit. The last sign is explained by the fact that a unipolar voltage has already been generated at terminals a, 6 of the secondary winding of the transformer during both half-cycles of transistor switching. The function of direct diodes of the rectifier unit is performed by charging and discharging transistors.
Преобразователь, выполненный по схемам фиг. 4 и фиг. 5, работает аналогично с преобразователем, собранным по схемам фиг. 1 и фиг. 2.The converter, made according to the circuits of Fig. 4 and fig. 5, works similarly with a converter assembled according to the circuits of Fig. 1 and fig. 2.
Преимуществами последней схемы является меньшее количество элементов, меньшие их объем и масса, а также более высокий КПД за счет исключения прямых диодов и, соответственно, потерь мощности в них.The advantages of the latter scheme are a smaller number of elements, their smaller volume and weight, as well as higher efficiency due to the elimination of direct diodes and, accordingly, power losses in them.
На фиг. 7 представлена структурная схема резонансного преобразователя напряжения, который содержит два силовых каскада, идентичных с силовым каскадом, схема которого приведена на фиг. 1. Схемы выпрямительного узла для двухкаскадного преобразователя представлены на фиг. 8 и фиг. 9. Узел управления этого преобразователя содержит два канала, которые выдают управляющие импульсы для переключения зарядного и разрядного транзисторов обоих каскадов.In fig. 7 shows a block diagram of a resonant voltage converter, which contains two power stages identical to the power stage, the diagram of which is shown in FIG. 1. Diagrams of the rectifier unit for a two-stage converter are shown in Fig. 8 and fig. 9. The control unit of this converter contains two channels that issue control pulses to switch the charging and discharging transistors of both stages.
В двухкаскадном преобразователе (фиг. 7) управляющие импульсы могут быть сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180° и 90°. Диаграммы токов и напряжений на элементах преобразователя при указанных сдвигах по фазе приведены соответственно на фиг. 10 и фиг. 11.In a two-stage converter (Fig. 7), the control pulses can be shifted in phase relative to each other by 180° and 90°. Diagrams of currents and voltages on the converter elements at the indicated phase shifts are shown respectively in Fig. 10 and fig. eleven.
Преимуществами двухкаскадных преобразователей перед однокаскадными является равномерное потребление энергии из источника питания, а также то, что передача ее в нагрузку происходит в течение обоих полупериодов работы контуров.The advantages of two-stage converters over single-stage ones are the uniform consumption of energy from the power source, as well as the fact that it is transferred to the load during both half-periods of the circuits’ operation.
Важным преимуществом двухкаскадного преобразователя при сдвиге импульсов на 90° градусов и числе фаз m=4 является в два раза более высокая частота и существенно более низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения на входе сглаживающего фильтра.An important advantage of a two-stage converter with a pulse shift of 90° degrees and the number of phases m = 4 is a twice higher frequency and a significantly lower level of ripple of the rectified voltage at the input of the smoothing filter.
Четырехфазные выпрямители, имеющие оптимальные число фаз и низкий уровень пульсаций, при синусоидальном переменном питающем напряжении практически не применяются из-за сложности создания системы четырех векторов, сдвинутых по фазе на угол 90°. В предлагаемом преобразователе (фиг. 7) эта задача решена достаточно просто.Four-phase rectifiers, which have an optimal number of phases and a low ripple level, are practically not used with a sinusoidal alternating supply voltage due to the complexity of creating a system of four vectors shifted in phase by an angle of 90°. In the proposed converter (Fig. 7) this problem is solved quite simply.
Силовые каскады в преобразователях, выполненных по схемам фиг. 7 - фиг. 9, работают аналогично с каскадом преобразователя фиг. 1. Параллельное суммирование токов зарядных и разрядных контуров обоих каскадов осуществляется в выпрямительных узлах (фиг. 8, фиг. 9).Power stages in converters made according to the circuits of Figs. 7 - fig. 9 operate similarly to the converter stage of FIG. 1. Parallel summation of the currents of the charging and discharge circuits of both cascades is carried out in the rectifier units (Fig. 8, Fig. 9).
На фиг. 12 и фиг. 13 представлены структурные схемы другого варианта двухкаскадного преобразователя, а на фиг. 14 диаграммы токов и напряжений на их элементах. В отличие от преобразователя фиг. 7, токи и напряжения зарядной и разрядной первичных обмоток трансформатора в этом преобразователе совпадают по фазе, в каждом каскаде применена одна вторичная обмотка, а из выпрямительного узла исключен комплект прямых диодов. Принцип работы этого преобразователя аналогичен с принципом работы преобразователя по фиг. 4, фиг. 5.In fig. 12 and fig. 13 shows block diagrams of another version of a two-stage converter, and FIG. 14 diagrams of currents and voltages on their elements. Unlike the converter of FIG. 7, the currents and voltages of the charging and discharging primary windings of the transformer in this converter are in phase, one secondary winding is used in each stage, and a set of direct diodes is excluded from the rectifier assembly. The operating principle of this converter is similar to the operating principle of the converter in Fig. 4, fig. 5.
Структурная схема трехкаскадного преобразователя (k=3, m=6) представлена на фиг. 15, а схемы его выпрямительных узлов - на фиг. 16 и фиг. 17. В этом преобразователе фазовый сдвиг между управляющими импульсами равен 60°. Это обеспечивает число фаз преобразователя m=6, т.е. высокую частоту и низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения на входе сглаживающего фильтра.The block diagram of a three-stage converter (k=3, m=6) is shown in Fig. 15, and diagrams of its rectifier units are shown in Fig. 16 and fig. 17. In this converter, the phase shift between control pulses is 60°. This ensures the number of converter phases m=6, i.e. high frequency and low level of ripple of the rectified voltage at the input of the smoothing filter.
Изобретение является новым, т.к в доступных источниках информации не обнаружено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.The invention is new, because no analogues with a similar set of essential features have been found in the available sources of information.
Новым в изобретении является применение в резонансном преобразователе напряжения нескольких каскадов (ячеек), состоящих из зарядного и разрядного контуров, каждый из которых включает в себя ключевой транзистор, резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первичную обмотку трансформатора. При заряде и разряде конденсатора происходит преобразование, трансформация и передача энергии в нагрузку.What is new in the invention is the use in a resonant voltage converter of several cascades (cells), consisting of charging and discharging circuits, each of which includes a key transistor, a resonant capacitor, a resonant inductor and a primary winding of the transformer. When charging and discharging a capacitor, energy is converted, transformed and transferred to the load.
В заявке предложен новый класс преобразователей напряжения, который может развиваться и расширяться с применением предложенных и других аналогичных схем силовых каскадов.The application proposes a new class of voltage converters, which can be developed and expanded using the proposed and other similar power stage circuits.
ЛитератураLiterature
1. Патент США №4263642.1. US Patent No. 4263642.
2. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И. Конева - 2-е изд., переработ. и доп. - М.: Радио и связь, 1990, с. 118-128.2. Sources of secondary power supply. Ed. Yu.I. Konev - 2nd ed., revised. and additional - M.: Radio and communication, 1990, p. 118-128.
3. Патент РФ №2110881, Н02М 7/523.3. RF patent No. 2110881, N02M 7/523.
4. Патент РФ №2186452 Н02М 7/335.4. RF Patent No. 2186452 N02M 7/335.
5. Патент РФ №2459342 Н02М 7/335.5. RF Patent No. 2459342 N02M 7/335.
6. Разработка резонансного полумостового LCL - преобразователя. Hong Huanq. TI Literature Number: SL U263. Переведено для сайта http: valvolodin.ru.6. Development of a resonant half-bridge LCL converter. Hong Huanq. TI Literature Number: SL U263. Translated for the website http: valvolodin.ru.
7. Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г. Многофазные импульсные стабилизаторы. - В сб. Электронная техника в автоматике / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Советское радио, 1997, вып. 9, с. 70-83.7. Shuvaev Yu.N., Vilenkin A.G. Multiphase pulse stabilizers. - On Sat. Electronic technology in automation / Ed. Yu.I. Koneva. - M.: Soviet radio, 1997, issue. 9, p. 70-83.
8. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с 233-239.8. Moeen B.C. Stabilized transistor converters. - M.: Energoatomizdat, 1986, pp. 233-239.
9. Патент РФ №2788181С1 Н02М 7/06. Низковольтный многофазный выпрямитель. Автор Шуваев Ю.Н.9. RF Patent No. 2788181С1 Н02М 7/06. Low voltage multiphase rectifier. Author Shuvaev Yu.N.
Claims (4)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2821803C1 true RU2821803C1 (en) | 2024-06-26 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4263642A (en) * | 1979-03-28 | 1981-04-21 | Litton Systems, Inc. | DC to DC converter |
RU2110881C1 (en) * | 1995-08-10 | 1998-05-10 | Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники | Pulse-width modulated resonance-tuned converter |
RU2186452C2 (en) * | 2000-06-15 | 2002-07-27 | Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники | Half-bridge dc voltage converter |
WO2006079985A2 (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-03 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Modular power supply for x-ray tubes and method thereof |
RU2459342C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Resonant converter of dc voltage into dc and ac and method to control its output voltage |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4263642A (en) * | 1979-03-28 | 1981-04-21 | Litton Systems, Inc. | DC to DC converter |
RU2110881C1 (en) * | 1995-08-10 | 1998-05-10 | Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники | Pulse-width modulated resonance-tuned converter |
RU2186452C2 (en) * | 2000-06-15 | 2002-07-27 | Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники | Half-bridge dc voltage converter |
WO2006079985A2 (en) * | 2005-01-28 | 2006-08-03 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Modular power supply for x-ray tubes and method thereof |
RU2459342C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Resonant converter of dc voltage into dc and ac and method to control its output voltage |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yeung et al. | Unified analysis of switched-capacitor resonant converters | |
CN109565243B (en) | High efficiency switched capacitor power supply and method | |
JP2001211643A (en) | Active clamp forward converter | |
US20200127576A1 (en) | Power conversion equipment | |
EP3700074A1 (en) | Dc-dc converter | |
Zhu et al. | Transformerless stacked active bridge converters: Analysis, properties, and synthesis | |
Jagan et al. | A family of switched-impedance network enhanced-boost quasi-Z-source inverters | |
US5587892A (en) | Multi-phase power converter with harmonic neutralization | |
JP7008222B2 (en) | Power conversion system | |
RU2821803C1 (en) | Shuvaev's multiphase resonant voltage converter | |
US20050078497A1 (en) | Three phase isolated vector switching AC to AC frequency converters | |
Kumar et al. | High-performance single-stage isolated 48v-to-1.8 v point-of-load converter utilizing impedance control network and distributed transformer | |
CN111987913B (en) | Quasi-single-stage AC/DC converter circuit capable of realizing active power decoupling | |
Farooq et al. | A Three phase interleaved boost converter with L & C voltage extension mechanism | |
RU2717232C1 (en) | Two-cycle resonance dc-dc converter | |
RU2821421C1 (en) | Resonant voltage converter | |
RU2124263C1 (en) | Valve-type converter | |
Gallaj et al. | High Step-Up Interleaved DC/DC Converter Using VM Cell for PV Applications. | |
RU2766846C1 (en) | Voltage converter | |
CN114567176B (en) | Bidirectional direct current converter and wide-range operation modulation method thereof | |
Mohebifar et al. | Dual-output step-down soft switching current-fed full-bridge DC-DC converter | |
US20220231602A1 (en) | Buck voltage regulator device | |
SU1614080A1 (en) | Single-end voltage converter | |
Diyoke et al. | A single-phase voltage boost multilevel inverter topology based on switched-capacitor dc-dc converter: simulation and experimentation | |
Khodabandeh et al. | Capacitive-Link Universal Converters with Low Voltage Stress and High Switching Frequency |