Резонансный коммутатор (варианты)
Владельцы патента RU 2516451:
Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "ЭНЕРГОМОДУЛЬ" (ОАО НПО "ЭНЕРГОМОДУЛЬ") (RU)
Изобретение относится к силовой электронике. Его использование в импульсных регуляторах и инверторах напряжения позволяет обеспечить технический результат - значительное снижение динамические потерь в силовых ключах схемы. Резонансный коммутатор содержит первый ключ (1) с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ (2), конденсатор (3) и дроссель (4), вывод первого ключа (1), соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод (6) резонансного коммутатора. Технический результат достигается благодаря тому, что второй ключ (2) снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем (4), соединенным последовательно с первым ключом (1), конденсатор (3) включен параллельно второму ключу (2), вывод которого, соединенный с катодом второго встречно-параллельного диода, образует положительный силовой вывод (5) резонансного коммутатора. 2 н.п. ф-лы, 10 ил. Фиг.1.
Изобретение относится к силовой электронике, в частности к преобразователям с пониженными динамическими потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано в схемах импульсных регуляторов постоянного напряжения и инверторах.
Известна схема преобразователя, в которой с помощью элементов резонансного LC контура обеспечивается мягкое переключение транзисторов при нулевом токе (см. патент США №4720667, опубл. 19.01.1988).
Недостатком данного решения является то, что интервал проводимости в схеме является фиксированным. При этом регулирование выходного напряжения и мощности в схеме можно производить только частотным методом.
Наиболее близким по технической сути является резонансный коммутатор (см. патент США №5262930, опубл. 16.11.1993), включающий в себя первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора. В данном решении обеспечивается мягкая коммутация ключей при нулевом напряжении, причем отпирание второго ключа позволяет регулировать интервал паузы, за счет временного прерывания резонансного процесса путем шунтирования дросселя. При этом в схеме оказывается возможным широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и мощности. Главным недостатком данной схемы является то, что процесс выключения при нулевом напряжении не позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь в мощных силовых ключах с биполярным механизмом переноса тока (IGBT, GTO, IGCT), для которых характерны относительно большие интервалы протекания остаточных токов. Для практического применения подобного решения требуется существенное замедление скорости изменения напряжения на основных ключах схемы за счет подключения к их выходным цепям внешних конденсаторов относительно большой емкости.
Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в следующем:
1. За счет соответствующего подключения элементов резонансного контура в устройстве обеспечивается плавный сброс тока основного ключа перед его выключением, что снижает накопленный заряд и амплитуду остаточного тока.
2. Запирание основного ключа происходит при нулевом токе, что, в отличие от ближайшего аналога, исключает применение внешних конденсаторов относительно большой емкости.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, в соответствии с первым объектом настоящего изобретения второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем, соединенным последовательно с первым ключом, конденсатор включен параллельно второму ключу, вывод которого, соединенный с катодом второго встречно-параллельного диода, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора.
Тот же технический результат достигается благодаря тому, что в резонансном коммутаторе, содержащем первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с первым ключом, один вывод дросселя соединен с анодом второго встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, а второй вывод дросселя образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.
Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг.1 представлен резонансный коммутатор по первому варианту осуществления.
На Фиг.2 представлен резонансный коммутатор по второму варианту осуществления.
На Фиг.3 представлена схема ближайшего аналога.
На Фиг.4 представлен резонансный коммутатор по Фиг.1, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).
На Фиг.5 представлен резонансный коммутатор по Фиг.2, подключенный к преобразователю постоянного напряжения (импульсному регулятору повышающего типа).
На Фиг.6 представлен резонансный коммутатор, подключенный к трехфазному инвертору напряжения на стороне переменного тока: для ключей анодной группы по первому варианту осуществления, для ключей катодной группы по второму варианту осуществления.
На Фиг.7 представлен резонансный коммутатор, подключенный к трехфазному инвертору напряжения на стороне переменного тока: для ключей анодной группы по Фиг.2, для ключей катодной группы по Фиг.1.
На Фиг.8 представлен резонансный коммутатор, подключенный к трехфазному инвертору напряжения на стороне постоянного тока.
На Фиг.9 представлены осциллограммы полного цикла коммутаций в резонансном коммутаторе по Фиг.1 в схеме преобразователя постоянного напряжения по Фиг.4.
На Фиг.10 представлены осциллограммы полного цикла коммутаций в резонансном коммутаторе по Фиг.2 в схеме преобразователя постоянного напряжения по Фиг.5.
Резонансный коммутатор (Фиг.1) содержит первый ключ 1 и второй ключ 2, каждый из которых имеет одноименный встречно-параллельный диод, а также элементы резонансного контура: конденсатор 3 и дроссель 4. На чертежах показаны положительный силовой вывод 5 и отрицательный силовой вывод 6.
Дроссель 4 подключен последовательно с первым ключом 1, при этом выход первого ключа 1, соединенный с анодом его встречно-параллельного диода, подключен к отрицательному силовому выводу 6. Второй ключ 2 включен последовательно в цепь соединения первого ключа 1 и дросселя 4, параллельно второму ключу 2 подключен конденсатор 3, при этом вывод второго ключа 2, соединенный с катодом его встречно-параллельного диода, подключен к положительному силовому выводу 5. Как показано на Фиг.2, дроссель 4 может быть выведен из цепи последовательного соединения первого ключа 1 и второго ключа 2, при этом один вывод дросселя 4 соединяется с катодом встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод 5 резонансного коммутатора, а второй вывод дросселя 4 образует дополнительный силовой вывод 7 резонансного коммутатора.
Рассмотрим работу резонансного коммутатора с коммутацией при нулевом токе, в схеме преобразователя постоянного напряжения в соответствии с Фиг.4.
Пусть в начальный момент времени первый ключ 1 и второй ключ 2 замкнуты. Тогда ток дросселя Lф входного фильтра, обозначенный как ток 1Н нагрузки, протекает по цепи открытых первого и второго ключей 1 и 2 и дросселя 4. Напряжение на конденсаторе 3, включенном параллельно второму ключу 2, при этом равно нулю. Диод D закрыт, а конденсатор выходного фильтра заряжен до постоянного напряжения UВЫХ и обеспечивает передачу энергии в нагрузку Н.
В начале цикла коммутаций снятием сигнала управления запирают второй ключ 2.
1. Интервал заряда конденсатора 3.
При выключении второго ключа 2 ток IН нагрузки начинает протекать через конденсатор 3, вызывая линейное нарастание напряжения на нем и обеспечивая тем самым выключение второго ключа 2 при нулевом напряжении:
где С3- емкость конденсатора 3; U3- напряжение на конденсаторе 3.
Через интервал времени Δtl напряжение на конденсаторе 3 достигает значения UВЫХ, и диод D отпирается:
2. Интервал резонансного сброса тока в дросселе 4 и первом ключе 1.
После отпирания диода D в схеме начинается резонансный процесс.
При этом напряжение на конденсаторе 3 будет увеличиваться, а ток в дросселе 4 и первом ключе 1 спадать:
где 
- волновое сопротивление резонансного контура; ωр- круговая частота резонанса; I4 - ток дросселя 4; I1 - ток первого ключа 1; L4 - индуктивность дросселя 4.
При пересечении током дросселя 4 нулевого уровня через интервал времени Δt2 включается встречно-параллельный диод первого ключа 1:
3. Интервал разряда конденсатора 3.
При включенном встречно-параллельном диоде первого ключа 1 резонансный процесс продолжается в соответствии с системой уравнений (3).
При выполнении условия:
через интервал времени Δt3 от начала резонансного процесса напряжение на конденсаторе 3 достигает нулевого значения:
Ток дросселя 4 в данный момент времени имеет отрицательное значение I4(Δt3)=IH cos(ωpΔt3) и продолжает протекать через встречно-параллельный диод первого ключа 1.
4. Интервал линейного сброса тока в дросселе 4 и выключения первого ключа 1 при нулевом токе.
После разряда конденсатора 3 до нулевого напряжения открывается встречно-параллельный диод второго ключа 2, при этом к дросселю 4 прикладывается постоянное напряжение UВЫХ, и ток дросселя 4 начинает изменяться по линейному закону:
Через интервал времени Δt4 ток дросселя 4 достигает нулевого значения и оба встречно-параллельных диода первого и второго ключей 1 и 2 запираются при нулевом токе:
Очевидно, что импульс управления с первого ключа 1 необходимо снять до момента достижения током дросселя 4 нулевого значения. Отметим также, что относительно малая выходная емкость первого ключа 1 при этом заряжается до напряжения ишх, а выходная емкость второго ключа 2, определяемая значением емкости резонансного конденсатора 3, остается в разряженном состоянии.
4. Интервал паузы.
При закрытых первом и втором ключах 1 и 2 в схеме обеспечивается требуемый интервал паузы.
5. Интервал линейного нарастания тока в дросселе 4 и включение первого ключа 1 при нулевом токе.
При синхронной подаче сигналов управления на первый и второй ключи 1 и 2 происходит их отпирание при нулевом токе, поскольку изменение тока в их цепи определяется линейным изменением тока дросселя 4, к которому при открытом диоде D приложено постоянное напряжение UВЫХ:
Отметим, что отпирание второго ключа 2 происходит также при нулевом напряжении на его выходной емкости.
Через интервал времени Δt5 ток в первом и втором ключах 1 и 2 достигает значения тока нагрузки IН, а диод D запирается:
При достижении током дросселя 4 значения тока нагрузки IН полный цикл коммутаций завершается. Отметим, что в данном цикле была обеспечена мягкая коммутация первого (основного) ключа 1 при нулевом токе и мягкая коммутация второго (вспомогательного) ключа 2 при нулевом напряжении.
Принцип работы резонансного коммутатора не изменяется, если в соответствии со вторым объектом настоящего изобретения дроссель 4 резонансного контура выводится из цепи последовательного соединения первого ключа 1 и второго ключа 2 и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь диода D (Фиг.5). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток первого ключа 1 при перемещении дросселя 4 в цепь диода D остается независимой переменной, которая определяется теперь алгебраической суммой тока нагрузки и тока дросселя 4.
Принцип работы резонансного коммутатора не меняется при применении различных типов ключей: биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT и др.
Представленный резонансный коммутатор может быть применен в любом другом преобразователе путем замены управляемого силового ключа преобразователя на заявляемый резонансный коммутатор с подключением положительного и отрицательного силовых выводов резонансного коммутатора к тем выводам преобразователя, куда ранее подключались соответствующий положительный и отрицательный выводы управляемого силового ключа. При этом с помощью дополнительного силового вывода 7 дроссель резонансного контура может быть включен последовательно с противофазным ключевым элементом преобразователя.
Далее рассмотрим другие варианты конкретного применения предложенного устройства.
На Фиг.6 представлены три (по количеству фаз) резонансных коммутатора с переключением при нулевом токе, подключенных к трехфазному инвертору напряжения на стороне переменного тока: для ключей анодной группы по первому варианту осуществления, для ключей катодной группы по второму варианту осуществления. Данное решение позволяет использовать один и тот же резонансный дроссель для верхнего и нижнего ключа в каждой фазе инвертора. При этом коммутация тока в каждом из ключей инвертора, для которого фазный ток нагрузки является положительным, имеет те же основные интервалы коммутации, что и в рассмотренном варианте для Фиг.4.
На Фиг.7 представлены три (по количеству фаз) резонансных коммутатора с переключением при нулевом токе, подключенных к трехфазному инвертору напряжения на стороне переменного тока: для ключей анодной группы по второму варианту осуществления, для ключей катодной группы по первому варианту осуществления. Данное решение позволяет использовать один и тот же резонансный дроссель для верхнего и нижнего ключа в каждой фазе инвертора. При этом коммутация тока в каждом из ключей инвертора, для которого фазный ток нагрузки является положительным, имеет те же основные интервалы коммутации, что и в рассмотренном варианте для Фиг.4.
На Фиг.8 представлен резонансный коммутатор с переключением при нулевом токе, подключенный к трехфазному инвертору напряжения на стороне постоянного тока. В данном решении в качестве первого ключа 1 можно рассматривать эквивалентный ключ, к которому сводится работа системы ключей трехфазного ключевого блока на каждом из интервалов длительностью 60 электрических градусов на периоде выходной частоты инвертора. При этом в основных ключах инвертора обеспечивается коммутация при нулевом токе каждый раз, когда условия нулевого тока реализуются в эквивалентном транзисторе.
Рассмотрим пример конкретного исполнения устройства по настоящему изобретению.
Предложенное устройство было выполнено для преобразователя постоянного напряжения (импульсный регулятор повышающего типа), процессы коммутации в котором рассчитаны с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice.
Выходное напряжение на конденсаторе Сф фильтра: UВЫХ=320 В.
Среднее значение непрерывного тока нагрузки через дроссель Lф фильтра:
J=100 А.
Первый и второй ключи 1 и 2 - транзисторы PT-IGBT, класс напряжения 600 В, средний ток коллектора 100 А, напряжение насыщения 1,6 В, выходная емкость 0,3 нФ.
Диод D импульсного типа, класс напряжения 600 В, средний ток 100 А, напряжение в открытом состоянии 1, 2 В, время обратного восстановления 40 нc.
Дроссель 4 - индуктивность 8,0 мкГн.
Конденсатор 3 - емкость 0,5 мкΦ, максимальное напряжение 1000 В.
На Фиг.9 представлены осциллограммы полного цикла коммутаций в резонансном коммутаторе в соответствии с Фиг.1 в схеме преобразователя постоянного напряжения по Фиг.4.
Масштаб по вертикали:
Канал 1: напряжение на первом ключе 1; 500 В/дел.
Канал 2: ток первого ключа 1 и дросселя 4; 125 А/дел.
Канал 3: напряжение на втором ключе 2 и конденсаторе 3; 500 В/дел.
Канал 4: ток второго ключа 2; 125 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 5 мкс/дел.
Первый (основной) ключ 1 переключается при нулевом токе, а второй (вспомогательный) ключ 2 - при нулевом напряжении.
На Фиг.10 представлены осциллограммы полного цикла коммутаций в резонансном коммутаторе в соответствии с Фиг.2 в схеме преобразователя постоянного напряжения по Фиг.5.
Масштаб по вертикали:
Канал 1: напряжение на первом ключе 1; 500 В/дел.
Канал 2: ток первого ключа 1; 125 А/дел.
Канал 3: напряжение на втором ключе 2 и конденсаторе 3; 500 В/дел.
Канал 4: ток второго ключа 2; 125 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 5 мкс/дел.
Первый (основной) ключ 1 переключается при нулевом токе, а второй (вспомогательный) ключ 2 - при нулевом напряжении.
1. Резонансный коммутатор, содержащий первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, отличающийся тем, что второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с дросселем, соединенным последовательно с первым ключом, конденсатор включен параллельно второму ключу, вывод которого, соединенный с катодом второго встречно-параллельного диода, образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора.
2. Резонансный коммутатор, содержащий первый ключ с первым встречно-параллельным диодом, второй ключ, конденсатор и дроссель, вывод первого ключа, соединенный с анодом первого встречно-параллельного диода, образует отрицательный силовой вывод резонансного коммутатора, отличающийся тем, что второй ключ снабжен вторым встречно-параллельным диодом и включен последовательно с первым ключом, один вывод дросселя соединен с катодом второго встречно-параллельного диода и образует положительный силовой вывод резонансного коммутатора, а второй вывод дросселя образует дополнительный силовой вывод резонансного коммутатора.
