ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2278459
КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
Имя изобретателя: Горяшин Николай Николаевич (RU); Лукьяненко Михаил Васильевич (RU); Базилевский Александр Борисович
Имя патентообладателя: Горяшин Николай Николаевич (RU); Лукьяненко Михаил Васильевич (RU); Базилевский Александр Борисович
Адрес для переписки: 660014, г.Красноярск, пр. Красноярский рабочий, 48, кв.11, А.Б.Базилевскому
Дата начала действия патента: 2004.12.08
Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в
автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных источниках питания с
бестрансформаторным выходом. Преобразователь напряжения содержит ключевой элемент в
цепи из последовательно соединенной резонансной катушки индуктивности, один вывод
которой присоединен к выходу ключевого элемента, а другой - к потенциальной обкладке
конденсатора резонансного контура, присоединенной к катоду обратносмещенного
рекуперативного диода и выводу катушки индуктивности выходного фильтра, другой вывод
которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод
рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и
выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя. Вход
преобразователя напряжения подключен к первичному источнику электроэнергии (ПИЭ), а
выход - к сопротивлению нагрузки (Rн). Новым в устройстве является то, что ключевой
элемент выполнен в виде двух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов
таким образом, что их общей точкой являются истоки, а управляющий сигнал подается между
общей точкой и соединенными между собой затворами. Технический результат: повышение
КПД и удельной мощности.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может найти
применение в автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных
источниках питания с бестрансформаторным выходом.
Известны устройства аналогичного назначения - преобразователи напряжения (ПН)
с прямоугольной формой напряжения и тока [Дьяконов В.П., Максимчук А.А. и др.
Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН - Р. 2002. с.512., Switched-Mode Power Supply Design
Manual VeriBest, inc. The EDA Systems Company] к недостаткам которых следует отнести: невозможность
улучшения энергетических характеристик без повышения быстродействия ключевых
элементов (КЭ), уменьшения падения напряжения на КЭ в открытом состоянии. Такая
тенденция усиливает влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы, т.е. с
увеличением скорости изменения напряжения на коллекторе (стоке) КЭ возрастает
амплитуда сигнала на высших гармониках, частоты которых могут совпадать с
собственными частотами резонансных контуров, образованных паразитными элементами
схемы, что приводит к увеличению высокочастотных помех, наложенных на выходное
напряжение преобразователя.
Из известных устройств наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому
является квазирезонансный ПН [R.W.Erickson Fundamentals of Power Electronics First Edition New York: Chapman and Hall, May 1997. 791
pages, 929 line illustrations.] и принятый за прототип. Этот ПН содержит КЭ, реализованный на одном
силовом полевом транзисторе, включенном последовательно между первичным источником
электроэнергии (ПИЭ) и цепью, содержащей последовательно включенные: проходной диод,
резонансный контур (РК), содержащий резонансную катушку индуктивности Lp, один из
выводов которой подключен к катоду проходного диода, а другой вывод к резонансному
конденсатору Ср, параллельно которому включен обратносмещенный рекуперативный диод, к
катоду которого подключен выходной LфСф-фильтр.
Основным недостатком указанного прототипа является наличие в цепи КЭ проходного
диода, и как следствие увеличение потерь мощности и ограничение частоты коммутации.
Наличие проходного диода обосновано тем что, он предотвращает обратный ток через
паразитный диод силового МОП-транзистора, который может быть вызван продолжающимся
резонансным процессом. Тем самым предотвращается возврат энергии, накопленной в
резонансном контуре обратно в ПИЭ. Общим недостатком мощных быстродействующих диодов
является относительно большее время обратного восстановления, в течение которого он
работает как конденсатор, а также существенное прямое падение напряжение нелинейно
зависящее от тока и температуры.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение потерь в КЭ
при одновременном повышении частоты коммутации, за счет чего повышается КПД и
увеличивается удельная мощность.
Поставленная задача решается тем, что квазирезонансный высокочастотный
преобразователь напряжения (КВПН) содержит ключевой элемент в цепи из последовательно
соединенной резонансной катушки индуктивности, один вывод которой присоединен к
выходу ключевого элемента, а другой - к потенциальной обкладке конденсатора
резонансного контура, присоединенной к катоду обратносмещенного рекуперативного
диода и выводу катушки индуктивности выходного фильтра, другой вывод которой соединен
с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного
диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра
объединены и присоединены к общей шине преобразователя. Вход преобразователя
напряжения подключен к первичному источнику электроэнергии (ПИЭ), а выход - к
сопротивлению нагрузки (Rн). Новым в устройстве является то, что ключевой элемент
выполнен в виде двух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов
таким образом, что их общей точкой являются истоки, а управляющий сигнал подается между
общей точкой и соединенными между собой затворами.
|
|
|
Фиг.1 приведена схема заявляемого устройства.
|
Фиг.2 - временные диаграммы работы.
|
Заявляемое устройство состоит из блока управления 1, выход которого подключен ко
входу ключевого элемента 2, состоящего из двух встречно-последовательно соединенных
силовых МОП-транзисторов VT1, VT2 таким образом, что паразитные диоды VD1, VD2 оказываются
также встречновключенными, а их аноды соединены с общей точкой. Катод диода VD1
присоединен к потенциальной шине первичного источника электроэнергии 3, катод диода VD2
подключен к одному из выводов резонансной катушки индуктивности Lp 4, другой вывод
которой присоединен к потенциальной обкладке резонансного конденсатора Ср 5.
Параллельно Ср 5 включен обратносмещенный рекуперативный диод 6, к катоду которого
подключен один из выводов катушки индуктивности выходного фильтра Lф 7, а к другому
выводу Lф 7 - потенциальная обкладка конденсатора выходного фильтра Сф 8. Параллельно
конденсатору Сф 8 подключено сопротивление нагрузки Rн 9. Анод рекуперативного диода 6 и
другие обкладки конденсаторов резонансного контура Ср 5 и выходного фильтра Сф 8
объединены и присоединены к общей шине преобразователя.
Первоначально транзисторы VT1, VT2 закрыты. Выходной ток течет за счет энергии,
запасенной в катушке индуктивности выходного фильтра 7. В некоторый момент времени,
определяемый устройством управления 1, КЭ 2 открывается. Колебательный контур,
образованный резонансной катушкой индуктивности Lp 4 и конденсатором Ср 5, начинает
получать энергию от ПИЭ 3. Заряд конденсатора Ср 5 и последующий его разряд будут
происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной
частоте контура LpCp 4,5. Одновременно ток в катушке индуктивности Lp 4 также будет
изменяться по синусоидальному закону - вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда
этот ток уменьшиться до нуля КЭ 2 запирается. При этом встречно-последовательно
включенные диоды VD1, VD2 предотвращают обратный ток, который мог быть вызван
продолжающимся резонансным процессом.
Когда ток в катушке индуктивности Lp 4 становится равным нулю, выходной ток течет через
катушку индуктивности выходного фильтра Lф 7 и конденсатор Ср 5, который быстро
разряжается. Как только он разрядится до нуля, открывается диод 6. На этом один
резонансный цикл заканчивается.
При поступлении сигнала на затворы силовых МОП-транзисторов происходит их отпирание,
где скважность и частота коммутации определяется известным законом управления [L. К. Wong,
Frank H. Leung, Peter К. S. Tarn. A Simple Large-Signal Nonlinear Modeling Approach for Fast Simulation of Zero-Current-Switch Quasi-Resonant Converters. IEEE
Trans. Power Electron., vol.12, №. 3, p.437-442, may 1997, J. Abu-Qahouq and I. Batarseh, Unified Steady-State Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters,
IEEE Trans. Power Electron., vol.17, №. 5, pp.684-691, sep. 2002] меандр на выходе блока управления 1 Uynp(t) на фиг.2,
ток в Lp 4 I(t), a напряжение на Ср 5 U(t).
Снижение потерь в заявляемом КВПН, в отличие от прототипа, у которого КЭ выполнен на
одном силовом транзисторе и включенном с ним последовательно проходном диоде,
достигается выполнением КЭ в виде дух встречно-последовательно соединенных силовых
МОП-транзисторов, имеющих, по сравнению с проходным диодом, как большое быстродействие,
так и меньшее падение напряжения. В этом случае требования к быстродействию КЭ могут
быть понижены, что позволяет применить пару МОП-транзисторов с минимальным
сопротивлением открытого канала при допустимом напряжении сток-исток, за счет чего
снижаются потери и достигается высокий КПД при высокой удельной мощности.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Квазирезонансный высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий
ключевой элемент в цепи из последовательно соединенной резонансной катушки
индуктивности, один вывод которой присоединен к выходу ключевого элемента, а другой -
к потенциальной обкладке конденсатора резонансного контура, присоединенной к
катоду обратно смещенного рекуперативного диода и выводу катушки индуктивности
выходного фильтра, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой
конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного диода и другие обкладки
конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к
общей шине преобразователя, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен в виде
двух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов таким образом,
что их общей точкой являются истоки, а управляющий сигнал подается между общей
точкой и соединенными между собой затворами.
Версия для печати
Дата публикации 17.02.2007гг
вверх
|
