СИЛОВОЙ КОММУТАТОР

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, инверторов и активных выпрямителей.

Известна схема преобразователя, в которой с помощью элементов резонансного LC контура обеспечивается мягкое включение транзисторов при нулевом напряжении (см. патент США №4720668, опубл. 19.01.1988).

Недостатком данного решения является то, что интервал паузы в схеме является фиксированным. При этом регулирование выходного напряжения и мощности в схеме можно производить только за счет изменения частоты коммутации.

Наиболее близким по технической сути является решение (см. патент США №5262930, опубл. 16.11.1993), включающее силовой коммутатор с параллельно присоединенным к нему резонансным дросселем. Подключение силового коммутатора с параллельным резонансным дросселем последовательно с основным ключом преобразователя обеспечивает мягкую коммутация основного ключа при нулевом напряжении и снижает энергию динамических потерь в схеме. При этом в схеме используется широтно-импульсное регулирование выходного напряжения и мощности при постоянной частоте коммутации. Однако процесс выключения при нулевом напряжении не позволяет эффективно снижать энергию динамических потерь в мощных силовых коммутаторах с биполярным механизмом передачи тока (IGBT, GTO, IGCT). Для практического применения подобного решения требуется существенное замедление скорости изменения напряжения на основном ключе за счет подключения к его выходной цепи внешнего конденсатора относительно большой емкости.

Технический результат устройства по настоящему изобретению заключается в следующем:

1. Один вспомогательный силовой коммутатор с резонансным LLC контуром может использоваться для мягкой коммутации сразу двух ключевых элементов преобразователя: основного ключа и ему противофазного.

2. Подключение параллельно вспомогательному силовому коммутатору дополнительного конденсатора позволяет обеспечить предварительный разряд выходной емкости и отпирание основных ключей преобразователя при нулевом напряжении.

3. Подключение последовательно со вспомогательным силовым коммутатором дополнительного дросселя позволяет обеспечить плавное изменение тока в контуре коммутации и запирание основных ключей преобразователя при нулевом токе, что, в отличие от ближайшего аналога, исключает применение дополнительных конденсаторов относительно большой емкости, подключаемых параллельно к каждому из основных ключей.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в силовом коммутаторе, содержащем ключ с параллельно присоединенным к нему дросселем, причем один из выводов ключа образует первый силовой вывод коммутатора, в соответствии с настоящим изобретением параллельно к ключу присоединен конденсатор, а последовательно - дополнительный дроссель, свободный вывод которого образует второй силовой вывод коммутатора.

При этом точка соединения ключа с дополнительным дросселем может образовывать дополнительный силовой вывод коммутатора.

Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На Фиг.1 представлен силовой коммутатор в соответствии с изобретением.

На Фиг.2 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 с дополнительным силовым выводом.

На Фиг.3 представлена схема ближайшего аналога.

На Фиг.4 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 при его подключении к базовому контуру коммутации последовательно с основным ключом.

На Фиг.5 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.4.

На Фиг.6 представлен силовой коммутатор по Фиг.1 при его подключении к базовому контуру коммутации последовательно с противофазным диодом.

На Фиг.7 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.6.

На Фиг.8 представлен силовой коммутатор по Фиг.2 при его подключении к базовому контуру коммутации с дополнительным дросселем, включенным последовательно с противофазным диодом.

На Фиг.9 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.8.

На Фиг.10 представлен силовой коммутатор по Фиг.2 при его подключении к базовому контуру коммутации с дополнительным дросселем, включенным последовательно с основным ключом.

На Фиг.11 представлены основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для схемы Фиг.10.

На Фиг.12 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.13 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.14 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, в котором дополнительный дроссель подключен последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.15 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, в котором дополнительный дроссель подключен последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.16 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора напряжения.

На Фиг.17 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения.

На Фиг.18 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора.

На Фиг.19 представлен силовой коммутатор по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с дополнительным ключом.

На Фиг.20 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора).

На Фиг.21 представлен силовой коммутатор по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с дополнительным ключом).

На Фиг.22 представлено три силовых коммутатора по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с ключами катодной группы инвертора.

На Фиг.23 представлено три силовых коммутатора по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с ключами анодной группы инвертора.

На Фиг.24 представлено три силовых коммутатора по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами катодной группы инвертора).

На Фиг.25 представлено три силовых коммутатора по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами анодной группы инвертора).

Устройство (Фиг.1) содержит: ключ 1, дроссель 2, конденсатор 3 и дополнительный дроссель 4. На чертежах показаны также первый силовой вывод 5 и второй силовой вывод 6.

Дроссель 2 и конденсатор 3 включены параллельно ключу 1, дополнительный дроссель 4 включен последовательно с ключом 1, при этом положительный вывод ключа 1 образует первый силовой вывод 5, а свободный вывод дополнительного дросселя 4 образует второй силовой вывод 6.

Как показано на Фиг.2, точка соединения ключа 1 с дополнительным дросселем 4 образует дополнительный силовой вывод 7 устройства.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Рассмотрим работу силового коммутатора при его подключении к базовому контуру коммутации, к схеме которого сводятся контуры коммутации тока в регуляторах напряжения, инверторах и активных выпрямителях (Фиг.4). Данная схема содержит основной ключ S со встречно-параллельным диодом, противофазный диод D, источник J тока и источник Е напряжения. Силовой коммутатор с резонансным LLC контуром в соответствии с изобретением подключается последовательно к основному ключу S. Элементы резонансного LLC контура имеют следующие параметры: дроссель 2 - индуктивность L₂; конденсатор 3 - емкость С₃; дополнительный дроссель 4 - индуктивность L₄.

В начальный момент времени основной ключ S выключен, а силовой коммутатор 1 включен, и через него замыкается начальный ток дросселя 2, равный величине I₀. Значение I₀ будет определено далее. Соответственно состоянию ключей напряжение на конденсаторе 3 и ток дополнительного дросселя 4 равны нулю. Ток J нагрузки замыкается через противофазный диод D.

Представим основные интервалы мягкой коммутации тока нагрузки от диода D на ключ S и обратно.

Выключение ключа 1 при нулевом напряжении и включение основного ключа S при нулевом напряжении.

Снятием сигнала управления выключают ключ 1, который за счет параллельно включенного конденсатора 3 выключается при нулевом напряжении. При этом ток дросселя 2 начинает заряжать конденсатор 3:

где ; .

Тогда напряжение на основном ключе S изменяется в соответствии с формулой:

Если выполняется условие:

основной ключ S может быть включен при нулевом напряжении за счет спада напряжения U_C3(t) до нулевого уровня через интервал времени:

Включение ключа 1 при нулевом напряжении.

После включения основного ключа S в работу вступает дополнительный дроссель 4, при этом изменяется резонансная частота в LLC контуре, которая становится равной:

где .

Напряжение на конденсаторе 3 будет изменяться в соответствии с формулой:

где .

При условии:

ключ 1 можно включить при нулевом напряжении через интервал времени:

В конце данного интервала ток дросселя 2 спадает практически до нуля, а в основном ключе S появляется отрицательный ток ΔI₁, протекающий через встречно-параллельный диод ключа S:

Линейное нарастание тока в основном ключе S и выключение противофазного диода при нулевом токе.

После включения ключа 1 ток основного ключа S будет изменяться по линейному закону:

Через интервал времени Δt₃ ток основного ключа S достигает значения тока нагрузки, а противофазный диод D запирается при нулевом токе:

Далее ток J нагрузки протекает через основной ключ S, находящийся во включенном состоянии в течение интервала проводимости.

Выключение ключа 1 при нулевом напряжении и включение противофазного диода D при нулевом токе.

Снятием сигнала управления выключают ключ 1, который за счет параллельного конденсатора 3 выключается при нулевом напряжении. При этом напряжение на конденсаторе 3 изменяется в соответствии с формулой:

Через интервал времени Δt₄ напряжение U_C3(t) возрастает до напряжения Е источника, и противофазный диод D включается при нулевом токе, поскольку ток нагрузки по-прежнему протекает через дополнительный дроссель 4 и основной ключ S. Значение Δt₄ можно определить по формуле:

Через интервал времени Δt₄ ток дросселя 2 возрастает до значения:

Выключение основного ключа S при нулевом токе.

После включения противофазного диода LLC контур подключается к источнику Е напряжения.

При этом напряжение на конденсаторе 3 начинает изменяться в соответствии с формулой:

Ток в дросселе 2 изменяется в соответствии с формулой:

Ток в дополнительном дросселе 4 и основном ключе S изменяется в соответствии с формулой:

Если выполняется условие:

ток дополнительного дросселя 4 достигает нулевого значения, и основной ключ S можно выключить при нулевом токе.

На данном интервале в основном ключе S появляется отрицательный ток, протекающий через его встречно-параллельный диод. Амплитуда отрицательного тока определяется выражением:

Длительность интервала выключения основного ключа S при нулевом токе определяется формулой:

После выключения основного ключа S ток дросселя 2 увеличивается до значения:

Отметим, что напряжение на конденсаторе 3 в конце интервала Δt₅, спадает практически до нуля.

Восстановление начальной энергии в LLC контуре и включение ключа 1 при нулевом напряжении.

При выключенном основном ключе S и ключе 1 в параллельном LC контуре, образованном дросселем 2 и конденсатором 3, начинается колебательный процесс с частотой ω₁:

При этом на конденсаторе 3 появляется отрицательное по отношению к ключу 1 напряжение. Через половину периода резонансной частоты ω₁ напряжение на конденсаторе 3 спадает до нулевого значения, а ток дросселя 2 достигает начального значения I_L2(Δt₅), но с обратным знаком. Таким образом, в дросселе 2 восстанавливается начальное значение тока I₀, с которого и начинался цикл коммутации:

Очевидно, что импульс управления на ключ 1 необходимо подать в течение рассматриваемого полупериода, тогда по его окончании произойдет автоматическое включение ключа 1 при нулевом напряжении.

После восстановления начальной энергии в LLC контуре можно начинать новый цикл коммутации и т.д.

Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для рассмотренного варианта представлены на Фиг.5, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:

Напряжение источника Е питания = 80 B.

Ток J нагрузки = 40 A.

Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.

Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.

Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.

Масштаб по вертикали:

Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.

Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.

Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.

Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.

Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.

Масштаб по горизонтали:

Время - 4 мкс/дел.

Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если силовой коммутатор с резонансным LLC контуром выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.6). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении силового коммутатора с резонансным LLC контуром в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта показаны на Фиг.7, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:

Напряжение источника Е питания = 500 B.

Ток J нагрузки = 40 A.

Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.

Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.

Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.

Масштаб по вертикали:

Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.

Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.

Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.

Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.

Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.

Масштаб по горизонтали:

Время - 4 мкс/дел.

Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если дополнительный дроссель 4 выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.8). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении дополнительного дросселя 4 в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта представлены на Фиг.9, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:

Напряжение источника Е питания = 500 B.

Ток J нагрузки = 40 A.

Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.

Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.

Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.

Масштаб по вертикали:

Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.

Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.

Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.

Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.

Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.

Масштаб по горизонтали:

Время - 4 мкс/дел.

Условия мягкой коммутации в схеме не изменяются, если ключ 1 с параллельно подключенными к нему дросселем 2 и конденсатором 3 выводится из цепи последовательного соединения с ключом S и с помощью дополнительного силового вывода 7 включается последовательно в цепь противофазного диода D (Фиг.10). Это утверждение следует из того факта, что система уравнений, описывающих электрические процессы в схеме, остается неизменной, а ток и напряжение ключа S при перемещении ключа 1 с параллельно подключенными к нему дросселем 2 и конденсатором 3 в цепь диода D по-прежнему остаются независимыми переменными. Основные осциллограммы процессов мягкой коммутации для данного варианта представлены на Фиг.11, которые получены с помощью программы схемотехнического моделирования PSpice при следующих параметрах схемы:

Напряжение источника Е питания = 500 B.

Ток J нагрузки = 40 A.

Дроссель 2 - индуктивность 6,5 мкГн.

Дроссель 4 - индуктивность 1,0 мкГн.

Конденсатор 5 - емкость 0,1 мкФ.

Масштаб по вертикали:

Канал 1: напряжение на ключе S; 200 B/дел.

Канал 2: ток ключа S; 100 A/дел.

Канал 3: напряжение на ключе 1 и конденсаторе 3; 200 B/дел.

Канал 4: ток ключа 1; 100 A/дел.

Канал 5: ток дросселя 2; 100 A/дел.

Масштаб по горизонтали:

Время - 4 мкс/дел.

Принцип работы силового коммутатора с резонансным LLC контуром не изменяется при применении различных типов ключей: биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, биполярных транзисторов с изолированным затвором - IGBT и др.

Далее рассмотрим варианты конкретного применения предложенного устройства.

В преобразователях постоянного напряжения повышающего типа контур коммутации состоит из основного транзистора Т, противофазного ему диода D, источника напряжения на выходном фильтровом конденсаторе Сф и источника тока во входном дросселе Lф. Подключение силового коммутатора с резонансным LLC контуром в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.12, 13, 14, 15) позволяет обеспечить мягкую коммутацию ключевых элементов преобразователя.

На Фиг.12 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.13 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.14 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, дополнительный дроссель подключен последовательно с силовым ключом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

На Фиг.15 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, дополнительный дроссель подключен последовательно с противофазным диодом преобразователя постоянного напряжения (повышающий импульсный регулятор).

В трехфазных инверторах напряжения дополнительный ключ Ta в цепи постоянного тока инвертора, встречно-параллельные диоды ключевого блока инвертора, источник Е входного напряжения и входной ток инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром. На Фиг.16 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора напряжения последовательно с дополнительным ключом Та.

В трехфазных активных выпрямителях напряжения дополнительный диод Da в цепи постоянного тока инвертора, основные ключи ключевого блока активного выпрямителя, источник выходного напряжения на фильтровом конденсаторе Сф и выходной ток активного выпрямителя образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром. На Фиг.17 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока активного выпрямителя напряжения последовательно с дополнительным диодом Da.

В трехфазных инверторах тока дополнительный ключ Та в цепи постоянного тока инвертора, однонаправленные ключи ключевого блока инвертора, источник входного тока на фильтровом дросселе Lф и напряжение на входе инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.18, 19, 20, 21) может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром.

На Фиг.18 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора.

На Фиг.19 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока последовательно с дополнительным ключом.

На Фиг.20 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с однонаправленными ключами ключевого блока инвертора).

На Фиг.21 представлен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенный к цепи постоянного тока инвертора тока (дополнительный дроссель включен последовательно с дополнительным ключом).

На стороне переменного тока трехфазных инверторов напряжения верхний и нижний ключ в стойке ключей каждой из фаз инвертора, источник Е постоянного напряжения и фазный ток инвертора образуют контур коммутации, к которому в соответствии с настоящим изобретением (Фиг.22, 23, 24, 25) может быть подключен силовой коммутатор с резонансным LLC контуром.

На Фиг.22 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с основными ключами катодной группы инвертора. При этом коммутация основных ключей анодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей анодной группы можно рассматривать как включенные последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей катодной группы.

На Фиг.23 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.1, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения последовательно с основными ключами анодной группы инвертора. При этом коммутация основных ключей катодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей катодной группы можно рассматривать как включенные последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей анодной группы.

На Фиг.24 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дополнительные дроссели включены последовательно с ключами катодной группы инвертора). При этом коммутация основных ключей анодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей анодной группы можно рассматривать как решение по Фиг.2 с дополнительными дросселями, включенными последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей катодной группы.

На Фиг.25 представлено три силовых коммутатора с резонансным LLC контуром по Фиг.2, подключенных к цепи переменного тока инвертора напряжения (дроссели включены последовательно с ключами анодной группы инвертора). При этом коммутация основных ключей катодной группы проводится при помощи тех же силовых коммутаторов с резонансным LLC контуром, которые для ключей катодной группы можно рассматривать как решение по Фиг.2 с дополнительными дросселями, включенными последовательно с их противофазными диодами, в качестве которых выступают встречно-параллельные диоды основных ключей анодной группы.