RU94780U1 - THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING - Google Patents
THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING Download PDFInfo
- Publication number
- RU94780U1 RU94780U1 RU2010110511/22U RU2010110511U RU94780U1 RU 94780 U1 RU94780 U1 RU 94780U1 RU 2010110511/22 U RU2010110511/22 U RU 2010110511/22U RU 2010110511 U RU2010110511 U RU 2010110511U RU 94780 U1 RU94780 U1 RU 94780U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- additional
- parallel
- phase
- diode
- circuit
- Prior art date
Links
Landscapes
- Rectifiers (AREA)
Abstract
Трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением, характеризующийся тем, что содержит шесть основных ключей с обратно-параллельными диодами, соединенными по схеме трехфазного моста, к точкам фазы переменного тока которого через три входных дросселя подключена трехфазная сеть, и содержащий вспомогательную цепь, подключенную между шинами моста на стороне постоянного тока, включающую последовательно-соединенные резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первый дополнительный ключ с обратно-параллельным диодом, причем к отрицательной шине моста подключен отрицательный полюс цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, а к положительной шине моста подключен анод первого дополнительного диода, катод которого подключен к положительному полюсу цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом к точке соединения резонансного дросселя и первого дополнительного ключа подключен анод второго дополнительного диода, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода, причем в выпрямитель введены шесть дополнительных конденсаторов, каждый из которых включен параллельно основному ключу выпрямителя, и второй дополнительный ключ, подключенный параллельно второму дополнительному диоду. Three-phase active rectifier with soft switching, characterized in that it contains six main keys with reverse-parallel diodes connected according to the three-phase bridge circuit, to the points of the AC phase of which through three input chokes a three-phase network is connected, and containing an auxiliary circuit connected between the bridge buses on the DC side, including a series-connected resonant capacitor, a resonant inductor and a first additional switch with a reverse-parallel diode, and to the negative bridge circuit of the parallel-connected filter capacitor and load is connected to the positive bridge bus, and the anode of the first additional diode is connected to the positive bridge bus, the cathode of which is connected to the positive pole of the parallel-connected filter capacitor and load circuit, while to the connection point of the resonant inductor and the first an additional key is connected to the anode of the second additional diode, the cathode of which is connected to the cathode of the first additional diode, with six introduced into the rectifier additional capacitors, each of which is connected in parallel with the main key of the rectifier, and a second additional key connected in parallel with the second additional diode.
Description
Предложение относится к области силовой электроники, в частности к преобразовательным схемам с пониженными коммутационными потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано при разработке автономных инверторов и выпрямителей.The proposal relates to the field of power electronics, in particular to converter circuits with reduced switching losses in power semiconductor switches and can be used in the development of autonomous inverters and rectifiers.
Известен трехфазный активный выпрямитель, в котором коммутация основных ключей проводится при нулевом токе с помощью дополнительной схемы, включенной на стороне переменного тока выпрямителя и содержащей три по числу фаз квазирезонансных L-C контура, трехфазный диодный мост и один дополнительный ключ (см. US 5486752, 23.01.1996, Fig.8).A three-phase active rectifier is known in which the switching of the main keys is carried out at zero current using an additional circuit included on the AC side of the rectifier and containing three quasi-resonant LC circuits by the number of phases, a three-phase diode bridge and one additional switch (see US 5486752, 23.01. 1996, Fig. 8).
Недостатком данного изобретения является то, что мягкое выключение основных ключей выпрямителя при нулевом токе не возможно обеспечить при переключении схемы в состояние нулевого вектора, т.е. когда во включенном состоянии одновременно оказываются три верхних или три нижних ключа выпрямителя.The disadvantage of this invention is that it is not possible to provide soft switching off of the rectifier main keys at zero current when switching the circuit to the state of the zero vector, i.e. when in the on state, three top or three bottom rectifier keys are simultaneously turned on.
Известен трехфазный активный выпрямитель, в котором коммутация основных ключей проводится при нулевом напряжении. Это достигается с помощью дополнительной схемы, также включенной на стороне переменного тока выпрямителя и содержащей три по числу фаз квазирезонансных дросселя, трехфазный диодный мост и два дополнительных ключа (см. US 5574636, 12.11.1996, Fig.4). Однако выключение дополнительных ключей в данной схеме проходит в жестком режиме, что существенно увеличивает динамические потери и снижает эффективность применяемой мягкой коммутации.Known three-phase active rectifier, in which the switching of the main keys is carried out at zero voltage. This is achieved with the help of an additional circuit, also included on the AC side of the rectifier and containing three quasi-resonant chokes, three-phase diode bridge and two additional switches (see US 5574636, 12.11.1996, Fig. 4). However, switching off additional keys in this circuit takes place in hard mode, which significantly increases dynamic losses and reduces the effectiveness of soft switching.
Наиболее близким по технической сути является трехфазный активный выпрямитель (см. US 5633793, 27.05.1997), состоящий из шести основных ключей с обратно-параллельными диодами, соединенными по схеме трехфазного моста, к точкам фазы переменного тока которого через три входных дросселя подключена трехфазная сеть, и содержащий вспомогательную цепь, подключенную между шинами моста на стороне постоянного тока, включающую последовательно-соединенные резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первый дополнительный ключ с обратно-параллельным диодом, причем к отрицательной шине моста подключен отрицательный полюс цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, а к положительной шине моста подключен анод первого дополнительного диода, катод которого подключен к положительному полюсу цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом к точке соединения резонансного дросселя и первого дополнительного ключа подключен анод второго дополнительного диода, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода. В указанном решении обеспечивается мягкое переключение при нулевом токе как основных ключей выпрямителя, так и дополнительного ключа. Недостатком данного изобретения является то, что включение основных транзисторов выпрямителя остается жестким, что значительно увеличивает динамические потери в схеме.The closest in technical essence is a three-phase active rectifier (see US 5633793, 05.27.1997), consisting of six main keys with inverse-parallel diodes connected according to a three-phase bridge circuit, to which the three-phase network is connected to the AC phase points through three input chokes , and containing an auxiliary circuit connected between the busbars of the DC side of the bridge, including a series-connected resonant capacitor, a resonant inductor and a first additional switch with a parallel-parallel diode a house, moreover, the negative pole of the parallel-connected filter capacitor and load circuit is connected to the negative bridge bus, and the anode of the first additional diode is connected to the positive bridge bus, the cathode of which is connected to the positive pole of the parallel-connected filter capacitor and load circuit, while to the connection point the resonant inductor and the first additional key is connected to the anode of the second additional diode, the cathode of which is connected to the cathode of the first additional diode. In this solution, soft switching at zero current is provided for both the main keys of the rectifier and the additional key. The disadvantage of this invention is that the inclusion of the main transistors of the rectifier remains rigid, which significantly increases the dynamic losses in the circuit.
Еще одним недостатком данной схемы являются необходимость перезаряда конденсатора L-C контура при отпирании основных ключей, что значительно увеличивает потери проводимости.Another drawback of this circuit is the need to recharge the capacitor of the L-C circuit when unlocking the main keys, which significantly increases the conductivity loss.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в следующем.The technical result of the proposed device is as follows.
1. Условия мягкого переключения основных ключей выпрямителя и дополнительных ключей вспомогательной цепи при широком изменении тока нагрузки обеспечивается выбором необходимых номиналов дополнительных элементов схемы в соответствии с новыми установленными критериями.1. Conditions for soft switching of the main rectifier keys and additional auxiliary circuit keys with a wide change in the load current is ensured by the selection of the necessary values of the additional circuit elements in accordance with the new established criteria.
2. Снижение коммутационных потерь в основных ключах схемы при их запирании в режиме нулевого напряжения обеспечивается относительно медленным изменением напряжения на данных ключах за счет подключения дополнительных конденсаторов.2. The reduction of switching losses in the main circuit keys when they are locked in the zero voltage mode is ensured by a relatively slow change in voltage on these keys due to the connection of additional capacitors.
3. Уменьшение потерь проводимости в основных ключах выпрямителя и дополнительных ключах вспомогательной цепи обеспечивается за счет снижения амплитуды тока в обратных диодах данных ключей при применении дополнительных конденсаторов.3. The reduction of conductivity losses in the main rectifier keys and additional auxiliary circuit keys is achieved by reducing the current amplitude in the reverse diodes of these keys when using additional capacitors.
Технический результат достигается тем, что трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением, содержит шесть основных ключей с обратно-параллельными диодами, соединенными по схеме трехфазного моста, к точкам фазы переменного тока которого через три входных дросселя подключена трехфазная сеть, и содержит вспомогательную цепь, подключенную между шинами моста на стороне постоянного тока, включающую последовательно-соединенные резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первый дополнительный ключ с обратно-параллельным диодом, причем к отрицательной шине моста подключен отрицательный полюс цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, а к положительной шине моста подключен анод первого дополнительного диода, катод которого подключен к положительному полюсу цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом к точке соединения резонансного дросселя и первого дополнительного ключа подключен анод второго дополнительного диода, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода, введены шесть дополнительных конденсаторов, каждый из которых включен параллельно основному ключу выпрямителя, и второй дополнительный ключ, подключенный параллельно второму дополнительному диоду.The technical result is achieved by the fact that the three-phase active rectifier with soft switching contains six main keys with inverse-parallel diodes connected according to the three-phase bridge circuit, to the points of the alternating current phase of which a three-phase network is connected through three input chokes, and contains an auxiliary circuit connected between bridge buses on the DC side, including a series-connected resonant capacitor, a resonant inductor and a first additional switch with a parallel-parallel diode moreover, the negative pole of the parallel-connected filter capacitor and load circuit is connected to the negative bridge bus, and the anode of the first additional diode is connected to the positive bridge bus, the cathode of which is connected to the positive pole of the parallel-connected filter capacitor and load circuit, while to the resonance connection point the anode of the second additional diode is connected to the throttle and the first additional key; the cathode of which is connected to the cathode of the first additional diode; six additional capacitors, each of which is connected in parallel with the main key of the rectifier, and a second additional key connected in parallel with the second additional diode.
На Фиг.1 представлен трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением.Figure 1 presents a three-phase active rectifier with soft switching.
На Фиг.2 представлена схема прототипа.Figure 2 presents the scheme of the prototype.
На Фиг.3 представлена расчетные осциллограммы мягкого переключения основного ключа 3 выпрямителя (включение при нулевом напряжении и выключение при нулевом токе) и мягкого переключения основного ключа 5 выпрямителя (включение и выключение при нулевом напряжении).Figure 3 shows the calculated waveforms of soft switching of the main key 3 of the rectifier (turning on at zero voltage and turning off at zero current) and soft switching of the main key 5 of the rectifier (turning on and turning off at zero voltage).
Трехфазный активный выпрямитель содержит: шесть основных ключей 1, 2, 3, 4, 5 и 6 с обратно-параллельными диодами, которые соединены по схеме трехфазного моста 7, точки фазы 8, 9 и 10 на стороне переменного тока моста, три входных дросселя 11, 12 и 13, трехфазную сеть 14, вспомогательную цепь 15, положительную шину 16 и отрицательную шину 17 на стороне постоянного тока моста, резонансный конденсатор 18, резонансный дроссель 19, первый дополнительный ключ 20 с обратно-параллельным диодом, фильтровой конденсатор 21, нагрузку 22, положительный 23 и отрицательный 24 полюсы цепи 25 параллельного соединения фильтрового конденсатора и нагрузки, первый дополнительный диод 26, второй дополнительный диод 27, второй дополнительный ключ 28, шесть дополнительных конденсаторов 29, 30, 31, 32, 33 и 34.A three-phase active rectifier contains: six main switches 1, 2, 3, 4, 5 and 6 with reverse-parallel diodes, which are connected according to a three-phase bridge 7, phase points 8, 9 and 10 on the AC side of the bridge, three input chokes 11 , 12 and 13, three-phase network 14, auxiliary circuit 15, positive bus 16 and negative bus 17 on the DC side of the bridge, resonant capacitor 18, resonant inductor 19, first additional switch 20 with a parallel-parallel diode, filter capacitor 21, load 22 positive 23 and negative 24 by YOUTH 25 parallel connection circuit of the filter capacitor and the load, the first additional diode 26, second diode 27, an additional, optional second switch 28, six additional capacitors 29, 30, 31, 32, 33 and 34.
Основные ключи 1, 3 и 5 образуют нечетную группу и подключены к положительной шине 16, а основные ключи 2, 4 и 6 образуют четную группу и подключены, соответственно, к отрицательной шине 17 на стороне постоянного тока трехфазного моста 7. Между основными ключами нечетной и четной групп расположены точки фазы 8, 9 и 10 на стороне переменного тока моста 7. К точкам фазы 8, 9 и 10 через входные дроссели соответственно 11, 12 и 13 подключена трехфазная сеть 14. Резонансный конденсатор 18, резонансный дроссель 19 и первый дополнительный ключ 20 с обратно-параллельным диодом соединены последовательно и образуют вспомогательную цепь 15, подключенную между положительной шиной 16 и отрицательной шиной 17 на стороне постоянного тока трехфазного моста 7. К отрицательной шине 17 моста 7 подключен отрицательный полюс 24 цепи 25 параллельно-соединенных фильтрового конденсатора 21 и нагрузки 22, а к положительной шине 16 моста 7 подключен анод первого дополнительного диода 26, катод которого подключен к положительному полюсу 23 цепи 25 параллельно-соединенных фильтрового конденсатора 21 и нагрузки 22. К точке соединения резонансного дросселя 19 и первого дополнительного ключа 20 подключен анод второго дополнительного диода 27, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода 26. В выпрямитель введены шесть дополнительных конденсаторов 29, 30, 31, 32, 33 и 34, каждый из которых включен параллельно основным ключам моста 7, т.е. соответственно к ключам 1, 2, 3, 4, 5 и 6, и второй дополнительный ключ 28, подключенный параллельно второму дополнительному диоду 27.The main keys 1, 3 and 5 form an odd group and are connected to the positive bus 16, and the main keys 2, 4 and 6 form an even group and are connected, respectively, to the negative bus 17 on the DC side of the three-phase bridge 7. Between the main keys are odd and of even groups there are phase 8, 9 and 10 points on the alternating current side of bridge 7. Three phase network 14 is connected to phase 8, 9 and 10 points through input inductors 11, 12 and 13 respectively. Resonant capacitor 18, resonant inductor 19 and first additional switch 20 with inverse parallel the diode are connected in series and form an auxiliary circuit 15 connected between the positive bus 16 and the negative bus 17 on the DC side of the three-phase bridge 7. To the negative bus 17 of the bridge 7 is connected the negative pole 24 of the circuit 25 of the parallel-connected filter capacitor 21 and load 22, and the positive bus 16 of the bridge 7 is connected to the anode of the first additional diode 26, the cathode of which is connected to the positive pole 23 of the circuit 25 of the parallel-connected filter capacitor 21 and the load 22. To the connection point the onance choke 19 and the first additional key 20, the anode of the second additional diode 27 is connected, the cathode of which is connected to the cathode of the first additional diode 26. Six additional capacitors 29, 30, 31, 32, 33 and 34 are introduced into the rectifier, each of which is connected in parallel with the main keys bridge 7, i.e. respectively, to the keys 1, 2, 3, 4, 5 and 6, and the second additional key 28, connected in parallel with the second additional diode 27.
Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.
Активный выпрямитель выполняется по схеме трехфазного моста 7 и по существу представляет собой обращенный автономный инвертор напряжения, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора 21 в импульсное напряжение в точках фазы 8, 9 и 10 на стороне переменного тока моста 7. Точки фазы 8, 9 и 10 связаны с питающей сетью 14 через входные дроссели 11, 12 и 13. Рабочая частота напряжения в точках фазы 8, 9 и 10 активного выпрямителя постоянна и равна частоте питающей сети.The active rectifier is designed according to the scheme of a three-phase bridge 7 and is essentially a reversed autonomous voltage inverter operating in the mode of pulse-width modulation (PWM). As well as a stand-alone inverter, the active rectifier inverts the DC voltage of the filter capacitor 21 into a pulse voltage at the phase 8, 9, and 10 points on the AC side of the bridge 7. The phase 8, 9, and 10 points are connected to the supply network 14 via input chokes 11 , 12 and 13. The operating frequency of the voltage at the points of phase 8, 9 and 10 of the active rectifier is constant and equal to the frequency of the mains.
При использовании режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет улучшенный гармонический состав, в котором первая гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Фильтрация высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, обеспечивается входными дросселями 11, 12 и 13. При этом из сети 14 потребляется практически синусоидальный ток.When using the PWM mode, the pulse voltage generated by the active rectifier on the AC side has an improved harmonic composition, in which the first harmonic and higher harmonics differ significantly in frequency. The filtering of the higher harmonics of the current consumed from the supply network is provided by the input chokes 11, 12 and 13. In this case, a practically sinusoidal current is consumed from the network 14.
В настоящее время широкое применение находит такой способ управления трехфазной мостовой схемой как векторная ШИМ. Формирование базовых векторов фазных напряжений активного выпрямителя происходит за счет последовательного перехода из одного в другое восьми различных состояний его ключей, шесть из которых образуют граничные векторы, а два нулевые.Currently, such a method of controlling a three-phase bridge circuit as vector PWM is widely used. The formation of the basic vectors of the phase voltages of the active rectifier occurs due to the sequential transition from one to another of eight different states of its keys, six of which form boundary vectors, and two zero.
При реализации векторной ШИМ каждая из фаз 8, 9 и 10 поочередно становится пассивной в одном из шести секторов, размером в 60°, образуемых парой граничных векторов. При этом коммутация ключей в пассивной фазе не происходит.When implementing vector PWM, each of phases 8, 9, and 10 alternately becomes passive in one of six sectors, 60 ° in size, formed by a pair of boundary vectors. In this case, switching keys in the passive phase does not occur.
Рассмотрим процессы коммутации ключей активного выпрямителя в одном из таких секторов. Пусть ток в фазе 8 является максимальным и протекает в направлении от источника питающей сети. Соответственно два других тока в фазе 9 и в фазе 10 будут иметь противоположное направление к источнику питающей сети. Тогда для выпрямительного режима в трехфазной мостовой схеме указанные фазные токи будут протекать через обратно-параллельные диоды основных ключей - соответственно в ключе 1, ключе 4 и ключе 6. Состояние ключей выпрямителя при этом будет соответствовать комбинации PNN.Consider the processes of switching keys of the active rectifier in one of these sectors. Let the current in phase 8 be maximum and flow in the direction from the source of the supply network. Accordingly, the other two currents in phase 9 and in phase 10 will have the opposite direction to the source of the supply network. Then, for the rectifier mode in a three-phase bridge circuit, the indicated phase currents will flow through the back-parallel diodes of the main keys, respectively in key 1, key 4 and key 6. The state of the rectifier keys will correspond to the PNN combination.
Поскольку ток в фазе 8 для выбранного примера является максимальным, то данная фаза остается пассивной. Тогда указанная комбинация ключей должна последовательно переходить в состояние PNP с применением нулевого вектора РРР. При этом алгоритм переключения ключей будет следующим:Since the current in phase 8 is maximum for the selected example, this phase remains passive. Then the specified key combination must sequentially transition to the PNP state using the zero PPP vector. In this case, the key switching algorithm will be as follows:
- происходит синхронное отпирание ключей 3 и 5, при этом обратно-параллельные диоды ключей 4 и 6 запираются и граничный вектор PNN преобразуется в нулевой вектор РРР;- there is a synchronous unlocking of the keys 3 and 5, while the inverse-parallel diodes of the keys 4 and 6 are locked and the boundary vector PNN is converted to the zero PPP vector;
- запирается ключ 3 и образуется смежный граничный вектор PNP;- key 3 is locked and an adjacent PNP boundary vector is formed;
- запирается ключ 5 и образуется начальный вектор PNN.- the key 5 is locked and the initial vector PNN is formed.
Далее процесс повторяется в течении трети периода выходной частоты фазного напряжения выпрямителя, т.е. внутри сектора размером в 60°, при соответствующем изменении коэффициентов заполнения для граничных векторов.Next, the process is repeated for a third of the period of the output frequency of the phase voltage of the rectifier, i.e. inside a sector of 60 °, with a corresponding change in fill factors for boundary vectors.
Вспомогательная цепь 15 позволяет проводить представленные коммутации основных ключей 3 и 5 в режимах мягкого переключения: т.е. либо при нулевом напряжении, либо при нулевом токе.Auxiliary circuit 15 allows for the presented switching of the main keys 3 and 5 in soft switching modes: i.e. either at zero voltage or at zero current.
При выключенном начальном состоянии основных ключей 3 и 5 ток фазы 8, обозначенный как ток IФ8, будет протекать через обратно-параллельный диод основного ключа 1 и первый дополнительный диод 26 в цепь 25 параллельно-соединенных фильтрового конденсатора 21 и нагрузки 22, обеспечивая нагрузку энергией от питающей сети.When the initial state of the main switches 3 and 5 is turned off, the phase 8 current, designated as current I Ф8 , will flow through the inverse-parallel diode of the main switch 1 and the first additional diode 26 to the circuit 25 of the parallel-connected filter capacitor 21 and load 22, providing the load with energy from the mains.
Перед тем как включиться основным ключам 3 и 5, включается второй дополнительный ключ 28. Резонансный конденсатор 18 заряжен до начального напряжения с положительной полярностью на его верхней обкладке (значение этого напряжения будет определено ниже). Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:Before turning on the main keys 3 and 5, the second additional key 28 is turned on. The resonant capacitor 18 is charged to the initial voltage with a positive polarity on its upper plate (the value of this voltage will be determined below). The specified initial voltage corresponds to the inequality:
где ρ - характеристическое сопротивление последовательного L-C контура.where ρ is the characteristic resistance of the serial L-C circuit.
Начальное напряжение на конденсаторах 30, 31 и 33, включенных параллельно запертым основным ключам 2, 3 и 5 равно напряжению на фильтровом конденсаторе 21, обозначенному как E.The initial voltage on the capacitors 30, 31 and 33 connected in parallel to the locked main switches 2, 3 and 5 is equal to the voltage on the filter capacitor 21, designated as E.
Начинается колебательный процесс нарастания тока в L-C контуре. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на резонансном конденсаторе 18. Половину периода резонансной частоты ток контура совпадает по направлению с током IФ8, а затем изменяет направление на противоположное. Когда ток резонансного дросселя 19 достигает значения тока фазы 8 происходит выключение первого дополнительного диода 26. При этом напряжение на конденсаторе 18 оказывается равным:The oscillatory process of increasing current in the LC circuit begins. When this current reaches its maximum, the polarity of the voltage across the resonant capacitor 18 changes. Half of the period of the resonant frequency, the loop current coincides with the current I Ф8 , and then changes the direction to the opposite. When the current of the resonant inductor 19 reaches the current value of phase 8 the first additional diode 26 is turned off. In this case, the voltage across the capacitor 18 is equal to:
После выключения первого дополнительного диода 26 между последовательным L-C контуром и дополнительными конденсаторами 30, 31 и 33, включенными параллельно запертым основным ключам 2, 3 и 5, начинается квазирезонансный процесс.After turning off the first additional diode 26 between the serial L-C circuit and additional capacitors 30, 31 and 33 connected in parallel to the locked main keys 2, 3 and 5, a quasi-resonant process begins.
Установим критерий мягкого включения ключей 3 и 5 при нулевом напряжении.We establish the criterion for soft inclusion of keys 3 and 5 at zero voltage.
Дополнительные конденсаторы 30, 31 и 33 полностью разряжается с помощью квазирезонансного процесса, если в индуктивности дросселя 19 накоплена энергия не менее той, что соответствует току фазы 8 (т.е. ), а напряжение на конденсаторе 18 UC18(t) на интервале квазирезонансного процесса удовлетворяет неравенству:The additional capacitors 30, 31 and 33 are completely discharged using a quasi-resonant process, if the inductance of the inductor 19 accumulates at least an energy that corresponds to the current of phase 8 (i.e. ), and the voltage across the capacitor 18 U C18 (t) in the interval of the quasi-resonant process satisfies the inequality:
где: UС(0) - начальное напряжение на конденсаторах 30, 31 и 33.where: U С (0) is the initial voltage across the capacitors 30, 31 and 33.
Учитывая, что UС(0)=Е, условие (3) можно переписать в виде:Considering that U С (0) = Е, condition (3) can be rewritten in the form:
Т.о. напряжение на конденсаторе 18 на интервале перезаряда конденсаторов 30, 31 и 33 должно оставаться на уровне не менее половины от величины напряжения на фильтровом конденсаторе 21.T.O. the voltage across the capacitor 18 over the interval of overcharging of the capacitors 30, 31 and 33 should remain at least half of the voltage across the filter capacitor 21.
После полного разряда конденсаторов 30, 31 и 33 ключи 3 и 5 могут быть синхронно включены при нулевом напряжении.After the capacitors 30, 31 and 33 are completely discharged, the keys 3 and 5 can be synchronously switched on at zero voltage.
Напряжение на резонансном конденсаторе 18 после полного разряда конденсаторов 30, 31 и 33 становится равным:The voltage at the resonant capacitor 18 after a complete discharge of the capacitors 30, 31 and 33 becomes equal to:
где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе 18 на интервале Δtp перезаряда конденсаторов 30, 31 и 33.where ΔU is the voltage change across the capacitor 18 over the interval Δt p of the overcharge of the capacitors 30, 31 and 33.
Ток в дросселе 19 после полного разряда конденсаторов 30, 31 и 33 становится равным:The current in the inductor 19 after the complete discharge of the capacitors 30, 31 and 33 becomes equal to:
где ΔI - изменение тока в резонансном дросселе 19 на интервале Δtp.where ΔI is the change in current in the resonant inductor 19 in the interval Δt p .
При подключении дополнительных конденсаторов 30, 31 и 33:When connecting additional capacitors 30, 31 and 33:
где ;Where ;
C0 - величина емкости одного дополнительного конденсатора.C 0 - the value of the capacitance of one additional capacitor.
После включения основных ключей 3 и 5 при нулевом напряжении ток в дросселе 19 начинает уменьшаться, а соответственно ток в ключах 3 и 5 нарастать. Когда суммарный ток ключей 3 и 5 достигает тока фазы 8, ток дросселя 19 становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе 18 при этом изменяет полярность и оказывается равным:After turning on the main keys 3 and 5 at zero voltage, the current in the inductor 19 begins to decrease, and accordingly, the current in the keys 3 and 5 increase. When the total current of the keys 3 and 5 reaches the current of phase 8, the current of the inductor 19 becomes equal to zero. The voltage on the capacitor 18 in this case changes polarity and is equal to:
После включения основных ключей 3 и 5 при открытом встречно-параллельном диоде ключа 1 наступает интервал зарядки энергией входных дросселей 11, 12 и 13 от питающей трехфазной сети 14.After turning on the main keys 3 and 5 with the open counter-parallel diode of the key 1, the interval of charging energy of the input chokes 11, 12 and 13 from the three-phase supply network 14 occurs.
Поскольку полярность напряжения на резонансном конденсаторе 18 изменилась на обратную по сравнению с начальной, то при включении в соответствующий момент времени первого дополнительного ключа 20 можно обеспечить выключение основного ключа 3 при нулевом токе, если выполняется условие:Since the polarity of the voltage across the resonant capacitor 18 is reversed compared to the initial one, when the first additional switch 20 is turned on at the appropriate time, it is possible to turn off the main switch 3 at zero current if the condition is satisfied:
После включения ключа 20 ток колебательного L-C контура начинает нарастать встречно току ключей 3 и 5. При выполнении неравенства (10) нарастающий ток контура обеспечивает включение обратно-параллельных диодов основных ключей 3 и 5. Достигнув максимума, ток колебательного контура начинает спадать. Очевидно, что ключ 3 может быть выключен при нулевом токе до момента времени пока не произойдет запирание его встречно-параллельного диода.After turning on the key 20, the current of the oscillatory L-C circuit begins to increase in opposition to the current of the keys 3 and 5. When inequality (10) is fulfilled, the increasing current of the circuit ensures the inclusion of inverse-parallel diodes of the main keys 3 and 5. Having reached its maximum, the current of the oscillating circuit begins to decrease. Obviously, the key 3 can be turned off at zero current until the moment when it will lock its counter-parallel diode.
Отметим, что в момент времени, когда ток резонансного дросселя 19 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 18 вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного Note that at the time when the current of the resonant inductor 19 reaches its maximum value, the voltage across the capacitor 18 again changes its polarity and then increases. However, the level of this voltage is much lower than the initial, equal
Для обеспечения устойчивости циклов мягкой коммутации ключей 3 и 5 необходимо поднять уровень данного напряжения до исходной величины. С этой целью после выключения основного ключа 3 при нулевом токе первый дополнительный ключ 20 оставляют открытым в течении некоторого интервала времени. Ток в L-C контуре после выключения основного ключа 3 продолжает уменьшаться. Но данный спад продолжается только до величины тока фазы 9. Поскольку напряжение на резонансном конденсаторе 18 при этом меньше напряжения на фильтровом конденсаторе 21, равном Е, дополнительный диод 26 остается в выключенном состоянии Т.о. единственный путь для замыкания тока фазы 9 - через последовательный L-C контур. При этом ток фазы 9 будет заряжать конденсатор 18. Когда напряжение на указанном конденсаторе достигает напряжения Е открывается диод 26, и в колебательном L-C контуре начинается еще один квазирезонансный процесс, после которого напряжение на резонансном конденсаторе 18 устанавливается равным начальному:To ensure the stability of the soft switching cycles of keys 3 and 5, it is necessary to raise the level of this voltage to the original value. To this end, after turning off the main key 3 at zero current, the first additional key 20 is left open for a certain period of time. The current in the L-C circuit after turning off the main switch 3 continues to decrease. But this decline continues only until the current value of phase 9. Since the voltage on the resonant capacitor 18 is less than the voltage on the filter capacitor 21, equal to E, the additional diode 26 remains in the off state the only way to close the phase 9 current is through a series L-C circuit. In this case, the current of phase 9 will charge the capacitor 18. When the voltage at the indicated capacitor reaches the voltage E, the diode 26 opens, and another quasi-resonant process begins in the L-C oscillatory circuit, after which the voltage at the resonant capacitor 18 is set equal to the initial one:
После запирания основного ключа 3 и отпирания первого дополнительного диода 26 цепь нагрузки начинает потреблять разность токов фазы 8 и фазы 10, т.е. ток равный току фазы 9. Тогда запирание основного ключа 5 можно провести при нулевом напряжении за счет медленного изменения напряжения на данном ключе после его запирания при подключении дополнительных конденсаторов соответствующей емкости.After locking the main key 3 and unlocking the first additional diode 26, the load circuit begins to consume the difference of the currents of phase 8 and phase 10, i.e. the current is equal to the current of phase 9. Then the locking of the main switch 5 can be carried out at zero voltage due to the slow voltage change on this key after it is locked when additional capacitors of the corresponding capacity are connected.
Таким образом, в рассматриваемом устройстве за один полный цикл процесса происходит мягкое синхронное включение основных ключей 3 и 5 при нулевом напряжении, затем мягкое выключение ключа 3 при нулевом токе и последующее мягкое выключение ключа 5 при нулевом напряжении.Thus, in the device in question, for one full cycle of the process, the key switches 3 and 5 are softly switched on synchronously at zero voltage, then the switch 3 is turned off softly at zero current and the key 5 is turned off softly at zero voltage.
После определения начального напряжения на конденсаторе 18 в соответствии с (11) можно выбрать значения элементов L-C контура вспомогательной схемы, при которых будет выполняться критерий мягкого переключения основных ключей 3 и 5.After determining the initial voltage on the capacitor 18, in accordance with (11), it is possible to select the values of the LC elements of the auxiliary circuit circuit at which the criterion for soft switching of the main keys 3 and 5 will be satisfied.
Используя уравнения (2) и (4) можно установить, что критерий нулевого напряжения выполняется, если характеристическое сопротивление L-C контура удовлетворяет условию:Using equations (2) and (4), it can be established that the zero voltage criterion is satisfied if the characteristic resistance of the LC circuit satisfies the condition:
С другой стороны, согласно уравнению (10) критерий нулевого тока выполняется, если характеристическое сопротивление контура удовлетворяет условию:On the other hand, according to equation (10), the zero current criterion is satisfied if the characteristic resistance of the circuit satisfies the condition:
Таким образом, необходимо выбрать меньшее значение сопротивления ρ из формул (12) и (13), чтобы выполнялись оба из критериев мягкого переключения.Thus, it is necessary to choose a lower resistance value ρ from formulas (12) and (13) so that both of the criteria for soft switching are satisfied.
Чем больше токи фаз 8, 9 и 10, тем сложнее выполнить критерии мягкого переключения (12) и (13). Поэтому выбор номиналов дополнительных элементов схемы удовлетворяющих указанным ограничениям следует проводить для максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока ниже максимального условия мягкого переключения основных транзисторов будут выполняться автоматически.The larger the currents of phases 8, 9 and 10, the more difficult it is to fulfill the soft switching criteria (12) and (13). Therefore, the selection of the ratings of additional circuit elements satisfying the indicated restrictions should be carried out for maximum load current. For all other current values below the maximum soft switching condition, the main transistors will be performed automatically.
Динамические процессы в дополнительных ключах 20 и 28 рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в колебательном L-C контуре. В дополнительных ключах 20 и 28 не происходит предварительного разряда их собственных выходных емкостей перед включением, что в общем случае ведет к добавочным потерям. Однако, поскольку работа данных ключей происходит на относительно коротких интервалах времени, то используются ключи, среднее значение тока которых в несколько раз меньше, чем в основных ключах. По этой причине выходные емкости дополнительных ключей относительно невелики.The dynamic processes in the additional keys 20 and 28 of the device in question are also soft, since the change in current in these transistors is determined by a smooth change in current in the oscillatory L-C circuit. In the additional keys 20 and 28, there is no preliminary discharge of their own output capacities before switching on, which in the general case leads to additional losses. However, since the operation of these keys occurs at relatively short time intervals, keys are used whose average current value is several times smaller than in the main keys. For this reason, the output capacities of the additional keys are relatively small.
Применение дополнительных конденсаторов 29, 30, 31, 32, 33 и 34 приводит к большему разряду резонансного конденсатора 18, т.е. напряжение уменьшается. С одной стороны, это несколько усложняет выполнение критерия выключения основного ключа 3 при нулевом токе. Однако при этом уменьшаются дополнительные потери проводимости в основных и дополнительных ключах, поскольку одновременно снижаются амплитуды токов в обратных диодах данных ключей на этапах их мягкого выключения.The use of additional capacitors 29, 30, 31, 32, 33 and 34 leads to a larger discharge of the resonant capacitor 18, i.e. voltage decreases. On the one hand, this complicates the fulfillment of the criterion for turning off the main key 3 at zero current. However, at the same time, additional conductivity losses in the main and additional switches are reduced, since the amplitudes of the currents in the reverse diodes of these keys at the stages of their soft shutdown are simultaneously reduced.
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов ключей (МДП, IGBT, IGCT и др.).The principle of operation of the device and the criteria for soft switching do not change when applying different types of keys (TIR, IGBT, IGCT, etc.).
Пример конкретного исполнения предложенного устройства.An example of a specific implementation of the proposed device.
Напряжение на фильтровом конденсаторе 21 Е=640 В.The voltage across the filter capacitor is 21 E = 640 V.
Ток фазы 8 IФ8=100 А.Current of phase 8 I Ф8 = 100 A.
Ток фазы 9 IФ9=60 А.The current of phase 9 I Ф9 = 60 A.
Ток фазы 10 IФ10=40 А.Phase current 10 I Ф10 = 40 A.
Основные ключи 1, 2, 3, 4, 5 и 6 - силовой модуль (трехфазный мост), класс напряжения 1200 В, средний ток 100 А.The main keys 1, 2, 3, 4, 5 and 6 are the power module (three-phase bridge), voltage class 1200 V, average current 100 A.
Дополнительные ключи 20 и 28, а также дополнительный диод 27 - силовой модуль (полумост), класс напряжения 1200 В, средний ток 50 А, импульсный ток 500 А.Additional keys 20 and 28, as well as additional diode 27 - power module (half-bridge), voltage class 1200 V, average current 50 A, pulse current 500 A.
Дополнительный диод 26 - высокочастотный диод, класс напряжения 1200 В, средний ток 50 А, импульсный ток 500 А.Additional diode 26 - high-frequency diode, voltage class 1200 V, average current 50 A, pulse current 500 A.
Резонансный дроссель 19 в - индуктивность 1,5 мкГн.19 V resonant inductor - 1.5 μH inductance.
Резонансный конденсатор 18 - емкость 1,5 мкФ, напряжение 1000 В.Resonant capacitor 18 - capacitance 1.5 μF, voltage 1000 V.
Дополнительные конденсаторы 29, 30, 31, 32, 33 и 34 - емкость 47 нФ, напряжение 1000 В.Additional capacitors 29, 30, 31, 32, 33 and 34 - capacitance 47 nF, voltage 1000 V.
Моделирование предложенного устройства проведено в программе расчета электронных схем PSpice.Modeling of the proposed device was carried out in the calculation program of electronic circuits PSpice.
На Фиг.3 представлены расчетные осциллограммы мягкого переключения основного ключа 3 выпрямителя (включение на нулевое напряжение и выключение на нулевой ток) и основного ключа 5 выпрямителя (включение и выключение на нулевое напряжение).Figure 3 presents the calculated waveforms of soft switching of the main switch 3 of the rectifier (switching on to zero voltage and turning off to zero current) and the main switch 5 of the rectifier (turning on and off to zero voltage).
Масштаб по вертикали:Vertical Scale:
Напряжение - 500 В/дел.Voltage - 500 V / div.
Ток - 100 А/дел.Current - 100 A / div.
Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:
Время - 20 мкс/дел.Time - 20 μs / div.
Канал 1 - напряжение U5 на ключе 5.Channel 1 - voltage U 5 on the key 5.
Канал 2 - ток I5 в ключе 5.Channel 2 - current I 5 in key 5.
Канал 3 - напряжение U3 на ключе 3.Channel 3 - voltage U 3 on the key 3.
Канал 4 - ток I3 в ключе 3.Channel 4 - current I 3 in key 3.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010110511/22U RU94780U1 (en) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010110511/22U RU94780U1 (en) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94780U1 true RU94780U1 (en) | 2010-05-27 |
Family
ID=42681020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010110511/22U RU94780U1 (en) | 2010-03-22 | 2010-03-22 | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU94780U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661938C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-07-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Bridge circuit three-phase voltage inverter control method |
| RU197431U1 (en) * | 2019-11-13 | 2020-04-24 | Общество с ограниченной ответственностью «Медиавизор» | DEVICE FOR MODULAR ENERGY STORAGE |
-
2010
- 2010-03-22 RU RU2010110511/22U patent/RU94780U1/en active IP Right Revival
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661938C1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-07-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | Bridge circuit three-phase voltage inverter control method |
| RU197431U1 (en) * | 2019-11-13 | 2020-04-24 | Общество с ограниченной ответственностью «Медиавизор» | DEVICE FOR MODULAR ENERGY STORAGE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10707743B2 (en) | Circuit with low DC bias storage capacitors for high density power conversion | |
| Amirabadi | A new class of high-power-density universal power converters | |
| US20150003132A1 (en) | Inverter with less snubber capacitors | |
| WO2013057653A2 (en) | Electrical energy supply system | |
| CN115765516A (en) | Bidirectional energy storage converter and bidirectional power supply | |
| McHugh et al. | A high power density single-phase inverter using stacked switched capacitor energy buffer | |
| KR101556933B1 (en) | Uninterruptible Power Supply | |
| RU94780U1 (en) | THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING | |
| RU2457600C1 (en) | Power module with multi-resonance circuit (versions) | |
| RU2732851C2 (en) | Adjustable boosting voltage rectifier | |
| Safaee et al. | Multiblock soft-switched bidirectional AC–AC converter using a single loss-less active snubber block | |
| Amirabadi | Analog control of AC link universal power converters: The key to very high frequency AC link conversion systems | |
| RU169427U1 (en) | Magnetically coupled resonance key | |
| RU96708U1 (en) | THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION | |
| RU124458U1 (en) | POWER MODULE | |
| Mary et al. | Design of new bi-directional three phase parallel resonant high frequency AC link converter | |
| RU61964U1 (en) | AUTONOMOUS AGREED RESONANCE INVERTER | |
| Yadav et al. | Cases of soft switching in a series resonant balancing converter for bipolar DC grids | |
| Chuang et al. | Highly-efficient battery chargers with parallel-loaded resonant converters | |
| RU212998U1 (en) | RESONANT SWITCH WITH MAGNETICALLY COUPLED THROTTLE | |
| Seo et al. | Suppression Method of DC Capacitor Currents in a Three-Phase Current Unfolding Inverter Equipped With Ultra-Small DC Capacitors | |
| RU227090U1 (en) | Soft Switching Voltage Inverter | |
| Sabour et al. | A Novel Quasi-Resonant Switched-Capacitor High Step-Up Multilevel Inverter with Self-Voltage Balancing | |
| RU2503118C1 (en) | Power module | |
| Husev et al. | Resonant and Z-source multilevel inverters |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20160323 |
|
| NF9K | Utility model reinstated |
Effective date: 20180123 |