МНОГОФАЗНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ШУВАЕВА Российский патент 2024 года по МПК H02M3/338 

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании и разработке вторичных источников электропитания различного назначения.

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].

Недостатком этих преобразователей являются большие объем и масса элементов и сравнительно низкий КПД.

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].

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.

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.

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.

Из изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое изобретение позволяет получить положительный результат.

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".

Элементы и узлы схем преобразователей:

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.

Основные параметры преобразователя и их обозначение:

U_п - напряжение источника питания;

U_н, I_н - напряжение и ток нагрузки;

k - количество каскадов преобразователя;

m - число фаз преобразователя;

ϕ - угол фазового сдвига между управляющими импульсами двух каскадов;

u_уз, u_ур - напряжение зарядных и разрядных управляющих импульсов;

u_сз, u_cp - напряжение на конденсаторе при заряде и разряде;

i_1з, i_1p - ток зарядной и разрядной первичных обмоток трансформатора;

i_2з, i_2p - ток зарядной и разрядной вторичных обмоток трансформатора;

u_2з, u_2p - напряжение на вторичных обмотках трансформатора;

τ₁, τ₂ - длительность полупериодов собственных колебаний контура;

f=1/(τ₁+τ₂) - частота собственных колебаний контура;

Δτ₁, Δτ₂ - временные промежутки между управляющими импульсами и полупериодами собственных колебаний контура;

t₁, t₂ - длительность управляющих импульсов;

Δt₁, Δt₂ - длительность временных интервалов между управляющими импульсами;

Т=(t₁+Δt₁)+(t₂+Δt₂) - период переключений (коммутации) транзисторов;

F=1/Т - частота переключений транзисторов.

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.

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).

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.

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 u_уз' и u_ур' и импульсами напряжения на конденсаторе u_сз' и u_ср' 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.

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.

При работе преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения при минимальном напряжении источника питания U_п и максимальном токе нагрузки I_н временные интервалы Δt₁' и Δt₂' имеют минимальное значение, а частота коммутации транзисторов F - максимальное. При максимальном U_п и минимальном L временные интервалы - максимальные, а частота F - минимальная.

Резонансный преобразователь напряжения, схема которого приведена на фиг. 1, работает следующим образом.

Зарядный и разрядный контуры работают поочередно с частотой коммутации F ключевых транзисторов 1', 2' в соответствии с управляющими импульсами u_уз' и u_ур' 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 i_1з имеющая форму, близкую к синусоидальной. Ток контура трансформируется и через вторичную обмотку 8' трансформатора 5' и выпрямительный узел 10' передается в нагрузку.

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 i_1р, которая также передается на нагрузку.

В начале и в конце каждого полупериода коммутации транзисторов в течение временных интервалов Δt₁' и Δt₂' оба транзистора закрыты.

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.

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.

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.

При описанных переходных процессах потери мощности при включении транзисторов весьма незначительны, а при выключении равны нулю.

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.

При необходимости обеспечения равенства амплитуды положительной и отрицательной полуволн напряжения на вторичных обмотках трансформатора его первичные обмотки выполняют с разным количеством витков.

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.

Преобразователь, выполненный по схемам фиг. 4 и фиг. 5, работает аналогично с преобразователем, собранным по схемам фиг. 1 и фиг. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

Изобретение является новым, т.к в доступных источниках информации не обнаружено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.

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.

В заявке предложен новый класс преобразователей напряжения, который может развиваться и расширяться с применением предложенных и других аналогичных схем силовых каскадов.

Литература

1. Патент США №4263642.

2. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И. Конева - 2-е изд., переработ. и доп. - М.: Радио и связь, 1990, с. 118-128.

3. Патент РФ №2110881, Н02М 7/523.

4. Патент РФ №2186452 Н02М 7/335.

5. Патент РФ №2459342 Н02М 7/335.

6. Разработка резонансного полумостового LCL - преобразователя. Hong Huanq. TI Literature Number: SL U263. Переведено для сайта 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.

8. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с 233-239.

9. Патент РФ №2788181С1 Н02М 7/06. Низковольтный многофазный выпрямитель. Автор Шуваев Ю.Н.

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании и разработке вторичных источников электропитания различного назначения. Техническим результатом изобретения является уменьшение объема и массы и повышение КПД резонансного преобразователя напряжения за счет уменьшения потерь мощности в ключевых транзисторах при их переключении и улучшения коэффициентов использования элементов по току, напряжению и мощности. Многофазный резонансный преобразователь содержит к силовых каскадов, каждый из которых состоит из зарядного и разрядного ключевых транзисторов, резонансных конденсатора и дросселя, трансформатора с зарядной и разрядной первичными и вторичными обмотками, а также выпрямительный узел, состоящий из комплекта прямых и комплекта обратных диодов и сглаживающего фильтра, и устройства управления. Зарядный транзистор, конденсатор, дроссель и зарядная первичная обмотка трансформатора соединены последовательно, подключены к выводам источника питания и образуют колебательный резонансный зарядный контур, разрядный транзистор и разрядная первичная обмотка трансформатора также соединены последовательно, подключены к выводам последовательно соединенных конденсатора и дросселя и образуют разрядный контур. К выводам вторичных обмоток трансформатора подключены выводы выпрямительного узла. Управляющее устройство состоит из соответствующего количеству транзисторов количества каналов и обеспечивает подачу управляющих импульсов на базу транзисторов зарядного и разрядного контуров поочередно, в течение каждого полупериода их включенного состояния, между зарядными и разрядными управляющими импульсами и полупериодами собственных колебаний резонансного контура предусмотрены временные промежутки, управляющие импульсы подаются с временными интервалами между ними, длительность управляющих импульсов остается постоянной во всех режимах работы преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Многофазный резонансный преобразователь напряжения, содержащий силовой каскад, состоящий из зарядного и разрядного ключевых транзисторов, резонансный конденсатор, резонансный дроссель, трансформатор с зарядной и разрядной первичными и вторичными обмотками, выпрямительный узел и устройство управления, отличающийся тем, что зарядный транзистор, зарядная первичная обмотка трансформатора, конденсатор и дроссель соединены последовательно, подключены к выводам источника питания и образуют колебательный резонансный зарядный контур, разрядный транзистор и разрядная первичная обмотка трансформатора также соединены последовательно и подключены к выводам последовательно соединенных конденсатора и дросселя и образуют разрядный контур, к выводам вторичных обмоток трансформатора подключен выпрямительный узел, состоящий из комплекта прямых и комплекта обратных диодов и сглаживающего фильтра, устройство управления состоит из соответствующего количеству транзисторов количества каналов и обеспечивает подачу управляющих импульсов на базу транзисторов зарядного и разрядного контуров поочередно, в течение каждого полупериода их включенного состояния, между зарядными и разрядными управляющими импульсами и полупериодами собственных колебаний резонансного контура предусмотрены временные промежутки, управляющие импульсы подаются с временными интервалами между ними, регулирование выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением временных интервалов, минимальная длительность указанных временных промежутков и интервалов обеспечивается не меньшей, чем время рассасывания носителей в базовом переходе транзистора.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в него введено (k-1) силовых каскадов, идентичных с первым каскадом (k=1, 2, 3, … - общее количество каскадов), которые вместе с первым каскадом образуют многофазный преобразователь с числом фаз m=2k (2, 4, 6, …), устройство управления содержит m каналов, которые выдают управляющие импульсы на базы транзисторов всех каскадов, причем указанные импульсы сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол, равный 360°/m.

3. Преобразователь по пп. 1, 2, отличающийся тем, что выпрямительный узел состоит из комплекта обратных диодов и сглаживающего фильтра.

4. Преобразователь по пп. 1-3, отличающийся тем, что зарядная и разрядная первичные обмотки трансформатора имеют разное количество витков.