Топологическая схема мягкой коммутации в усилительной или компенсационной схеме преобразователя - RU2195067C2
Код документа: RU2195067C2
Чертежи
Описание
Изобретение касается топологической схемы мягкой коммутации, более конкретно топологической схемы мягкой коммутации в усилительной или компенсационной схеме преобразователя и мостовой схеме.
Схема преобразователя раскрыта в китайской заявке на патент CN 95190525.2. Принципиальные схемы и рабочие процессы показаны на фиг.1 и 2. Когда схема функционирует в момент времени t=t6, а напряжение Vсивспом между контактами стока и истока вспомогательного МОП-транзистора 106 равно напряжению на выходном конденсаторе 109 фильтра, то есть напряжению V0 на нагрузочном резисторе 110, ток резонансной катушки 105 индуктивности течет к выходному конденсатору 109 фильтра через вспомогательный диод 108 с накоплением заряда, но в этот момент времени выключается основной диод 107 с накоплением заряда, следовательно, падение напряжения на резонансной катушке 105 индуктивности равняется нулю, из выражения V=Lr•di/dt=0 можно видеть, что перед отпиранием вспомогательного МОП-транзистора 106 ток, проходящий через резонансную катушку 105 индуктивности, остается, таким образом, неизменным, следовательно, в момент времени t=t7, когда периодически снова отпирается вспомогательный МОП-транзистор 106, включение происходит не при нулевом токе.
Из-за вышеупомянутой причины, отпирание вспомогательного МОП-транзистора 106 в момент времени t=t0 представляет отпирание не при нулевом токе, приводя благодаря этому к тому, что запирание вспомогательного диода 108 с накоплением энергии в момент времени t=t0 представляет собой жесткое запирание, поэтому происходят сравнительно большие потери запирания вспомогательного МОП-транзистора 106 и потеря запирания соответствующего вспомогательного диода 108 с накоплением заряда.
Задача изобретения состоит в том, чтобы образовать улучшенную схему инвертора включения при нулевом напряжении (ВНН), благодаря которой можно преодолеть недостатки вышеупомянутого изобретения, реализуя, таким образом, отпирание вспомогательного МОП-транзистора при нулевом токе и мягкое запирание вспомогательного диода с накоплением заряда.
Основной принцип изобретения состоит в том, чтобы использовать резонанс резонансной катушки индуктивности и резонансного конденсатора после включения вспомогательного выключателя с целью выполнения включения основного выключателя при нулевом напряжении. Более важным является то, что устройство подачи энергии не осуществляет подачу энергии, когда включается вспомогательный выключатель, достигая благодаря этому включение вспомогательного выключателя при нулевом токе, и увеличивается эффективность работы схемы.
Задача изобретения решается посредством следующей схемы, содержащей: основной выключатель, вспомогательный выключатель, авторотационный диод, параллельно соединенный с основным выключателем, резонансный конденсатор, источник тока, резонансную катушку индуктивности, основной диод, устройство подачи энергии и источник напряжения. В этой схеме резонансный конденсатор параллельно соединен с основным выключателем, основной и вспомогательный выключатели периодически включаются и выключаются, в момент, когда выключается вспомогательный выключатель, одновременно включается основной выключатель, но вспомогательный выключатель не включается до тех пор, пока не выключится основной выключатель в течение определенного периода времени. В усилительном инверторе упомянутый источник тока и упомянутый вспомогательный выключатель образуют контур, в котором катод упомянутого основного диода соединен с положительным электродом упомянутого источника напряжения для образования последовательной ветви, которая соединена параллельно упомянутому основному выключателю; в компенсационном инверторе упомянутый источник напряжения, основной выключатель и основной диод образуют контур, в котором отрицательный электрод упомянутого источника напряжения соединен с анодом основного диода, источник тока соединен параллельно с последовательной ветвью, образованной основным диодом и упомянутой резонансной катушкой индуктивности. В этих двух инверторах резонансная катушка индуктивности подсоединена между источником тока и точкой соединения основного диода и упомянутого основного выключателя, упомянутый вспомогательный выключатель подсоединен параллельно последовательной ветви, образованной упомянутой резонансной катушкой индуктивности и упомянутым основным выключателем, упомянутое устройство подачи энергии передает остаточную энергию резонансной катушки индуктивности, когда выключается упомянутый вспомогательный выключатель, и в это время передает энергию источника тока.
Устройством подачи энергии по изобретению может быть диод, то есть вспомогательный диод, и этот вспомогательный диод подсоединен параллельно упомянутой ветви, образованной резонансной катушкой индуктивности и основными диодами.
Вышеупомянутым резонансным конденсатором может быть паразитный конденсатор упомянутого основного устройства коммутации, упомянутым авторотационным диодом может быть обратно параллельный диод или паразитный диод основного устройства коммутации.
Соответствующая изобретению схема гарантирует, что вспомогательный диод запирается точно перед включением вспомогательного выключателя, обеспечивая таким образом включение вспомогательного выключателя при нулевом токе, а также избегая жесткого выключения вспомогательного диода и увеличивая эффективность схемы. Однако все еще выполняется жесткое выключение вспомогательного выключателя.
Для решения проблемы жесткого выключения вспомогательного выключателя можно в вышеупомянутую схему добавить демпфирующий диод без потерь и демпфирующий конденсатор без потерь. В этом случае демпфирующий диод без потерь соединен последовательно с упомянутым вспомогательным диодом, и образованную таким образом последовательную ветвь соединяют параллельно последовательной ветви, образованной упомянутыми резонансной катушкой индуктивности и основным диодом, а упомянутый демпфирующий конденсатор без потерь подсоединяют между точкой соединения упомянутого демпфирующего диода без потерь и упомянутого вспомогательного диода и точкой соединения упомянутой резонансной катушки индуктивности и основного диода.
Упомянутая схема реализует включение при нулевом токе и выключение при нулевом напряжении вспомогательного выключателя и дополнительно увеличивает эффективность схемы.
Изобретение будет подробно описано посредством вариантов осуществления в связи с нижеописанными чертежами, на которых идентичные или аналогичные части представлены идентичными символами.
Фиг. 1 представляет топологию известной схемы BHH-BOOST (усиление выключения при нулевом напряжении).
Фиг.2 иллюстрирует рабочие процессы в известной схеме ВНН-УСИЛЕНИЯ.
Фиг. 3А-3Д представляют изображение топологической структуры соответствующей настоящему изобретению схемы.
Фиг.4 иллюстрирует рабочие процессы применения изобретения в схеме УСИЛЕНИЯ.
Фиг.5 представляет принципиальную схему применения настоящего изобретения в схеме УСИЛЕНИЯ.
Фиг.6 представляет принципиальную схему применения настоящего дополнительно усовершенствованного изобретения в схеме УСИЛЕНИЯ.
Фиг.7 представляет принципиальную схему применения настоящего изобретения в схеме BUCK (КОМПЕНСАЦИИ).
Фиг.8 представляет принципиальную схему применения настоящего дополнительно усовершенствованного изобретения в схеме КОМПЕНСАЦИИ.
Фиг.9 представляет принципиальную схему применения настоящего изобретения в мостовой схеме.
Фиг. 10 представляет принципиальную схему применения настоящего дополнительно усовершенствованного изобретения в мостовой схеме.
Фиг. 11 представляет вариант применения настоящего изобретения в 2-киловаттной схеме корректирования коэффициента мощности (ККМ).
Фиг. 12 представляет вариант применения настоящего дополнительно усовершенствованного изобретения в 2 кВт схеме корректирования коэффициента мощности (ККМ).
На фиг.2A-2F показаны известные
рабочие процессы схемы ВНН-УСИЛЕНИЯ. На фиг. 2А показана
форма волны напряжения Vсз2 сигнала возбуждения затвора вспомогательного МОП-транзистора 106; на фиг.2В показана форма волны
напряжения Vсз1 сигнала возбуждения затвора основного
МОП-транзистора 103; на фиг. 2С показана форма волны тока I1р, в резонансной катушке индуктивности 105; на фиг. 2Д показана
форма волны тока IДосн основного диода 107 с
накоплением заряда; на фиг. 2Е показана форма волны тока IДвспом вспомогательного диода 108 с накоплением заряда; на фиг.2F показана
форма волны напряжения Vисосн между истоком и
стоком основного МОП-транзистора 103. На вышеприведенных чертежах можно видеть следующее:
При t=t0, вспомогательный
МОП-транзистор 106 отпирается, поскольку ток, проходящий по
катушке индуктивности, не может резко измениться, поэтому при отпирании вспомогательного МОП-транзистора ток в резонансной катушке 105
индуктивности постепенно увеличивается от начального значения,
поэтому ток, проходящий через основной диод 107 с накоплением заряда, постепенно уменьшается до нуля, благодаря чему посредством
резонансной катушки 105 индуктивности осуществляется мягкое запирание
главного диода 107 с накоплением заряда.
На фиг. 2Д можно видеть, что в момент времени t=t1 прямой ток основного диода 107 с накоплением заряда плавно уменьшается до нуля, реализуя тем самым мягкое запирание основного диода 107 с накоплением заряда.
После мягкого запирания основного диода 107 с накоплением заряда, резонансная катушка 105 индуктивности резонирует с резонансным конденсатором 104 и, как показано на фиг.2F, в момент времени t=t2, когда напряжение на резонансном конденсаторе 104 резонирует до нуля, то есть напряжение Vсосн между стоком и истоком основного МОП-транзистора 103 также установится равным нулю, паразитный диод основного МОП-транзистора начинает отпираться и осуществлять авторотацию.
Во время периода авторотации паразитного диода основного МОП-транзистора 103, в момент времени t=t3 основной МОП-транзистор отпирается, тогда как вспомогательный МОП-транзистор 106 запирается, таким образом реализуя отпирание основного МОП-транзистора 103 при нулевом напряжении, в этот момент хранящаяся энергия в резонансной катушке 105 индуктивности подается на выходной конденсатор 109 фильтра через вспомогательный диод 108 с накоплением заряда, поскольку напряжение между стоком и истоком вспомогательного МОП-транзистора 106 ограничивается напряжением на выходном конденсаторе 109 фильтра посредством вспомогательного диода 108 с накоплением заряда, реализуя тем самым также фиксирование напряжения вспомогательного МОП-транзистора 106, когда он запирается.
Как показано на фиг.2Е, в момент времени t=t4 хранящаяся энергия в резонансной катушке 105 индуктивности полностью освобождается, то есть ток, проходящий через вспомогательный диод 108 с накоплением энергии, плавно уменьшается до нуля и выполняется мягкое запирание вспомогательного диода 108 с накоплением заряда.
В момент времени t=t5 основной МОП-транзистор 103 запирается, резонансный конденсатор, подсоединенный параллельно основному МОП-транзистору 103, выполняет запирание основного МОП-транзистора при нулевом напряжении, как показано на фиг.2F; наряду с ростом напряжения Vсиосн между стоком и истоком основного МОП-транзистора 103, напряжение Vсивспом между стоком и истоком вспомогательного МОП-транзистора 106 также повышается из-за резонанса резонансной катушки 105 индуктивности и выходного резонансного конденсатора вспомогательного МОП-транзистора 106, и ток, проходящий через резонансную катушку 105 индуктивности, также резонансно возрастает, как показано на фиг. 2с.
В момент времени t=t6, когда напряжение Vсивспом между стоком и истоком вспомогательного МОП-транзистора 106 равно напряжению на выходном конденсаторе 109 фильтра, то есть равно напряжению V0 на нагрузочном резисторе 110, ток в резонансной катушке 105 индуктивности проходит к выходному конденсатору 109 фильтра через вспомогательный диод 108 с накоплением заряда, тогда как основной диод 107 с накоплением заряда в этот момент отпирается, таким образом падение напряжения, противостоящее на резонансной катушке 105 индуктивности, равно нулю, что можно видеть из соответствующего выражения V= Lr•di/dt= 0, ток, проходящий по резонансной катушке 105 индуктивности, остается неизменным, пока вспомогательный МОП-транзистор 106 не отопрется, следовательно в момент времени t=t7, когда вспомогательный МОП-транзистор снова периодически отпирается, это отпирание происходит не при нулевом токе.
Топологическая структура схемы по изобретению показана на фиг.3, где фиг. 3А-3С представляет несколько способов подсоединения схемы по изобретению, которые применяются в различных схемах.
Фиг.3А представляет топологическую структуру, применимую в схеме УСИЛЕНИЯ, где источник 305 тока, резонансная катушка 105 индуктивности, основной диод 107 и источник 308 напряжения соединены так, чтобы образовать основную схему, а другие детали схемы соединены, как описано для схемы по изобретению. Топологическая схема состоит из источника 305 тока, основного выключателя 302, основного диода 107, вспомогательного диода 108, резонансной катушки 105 индуктивности, резонансного конденсатора 304, диода 303 авторотации и источника 308 напряжения, в которой источник 305 тока, резонансная катушка 105 индуктивности, основной диод 107, источник 308 напряжения соединены так, чтобы образовать последовательный контур; и положительный электрод источника 305 тока подсоединен к одному концу резонансной катушки 105 индуктивности, а другой конец катушки индуктивности подсоединен к аноду основного диода 107. Катод основного диода 107 подсоединен к положительному электроду источника 308 напряжения. Вспомогательный выключатель 301 параллельно соединен с источником 305 тока. Анод вспомогательного диода 108 соединен с положительным электродом источника 305 тока, а катод вспомогательного диода 108 соединен с положительным электродом источника 308 напряжения. Основной выключатель 302 подсоединен между анодом основного диода 107 и отрицательным электродом источника 308 напряжения. Резонансный конденсатор 304 и авторотационный диод 303 подсоединены параллельно основному выключателю 302, где катод авторотационного диода соединен с анодом основного диода 107.
Фиг.3В представляет топологическую структуру, применимую в схеме КОМПЕНСАЦИИ. Источник 309 напряжения, основной выключатель 302, резонансная катушка 105 индуктивности и источник 310 тока соединены так, чтобы образовать основной контур, другие части схемы соединены, как приведено в описании схемы по изобретению. Топологическая схема состоит из источника 309 напряжения, основного выключателя 302, основного диода 107, вспомогательного диода 108, резонансной катушки 105 индуктивности, резонансного конденсатора 304, авторотационного диода 303 и источника 310 тока, в которой основной диод 107, резонансная катушка 105 индуктивности и источник 310 тока соединены так, чтобы образовать последовательный контур, и катод основного диода 107 соединен с одним концом резонансной катушки 105 индуктивности, а другой конец катушки 105 индуктивности соединен с положительным электродом источника 310 тока. Вспомогательный диод 108 подсоединен параллельно источнику 310 тока, где катод вспомогательного диода 108 соединен с положительным электродом источника 310 тока. Последовательная ветвь, образованная авторотационным диодом 303 и источником 309 напряжения, параллельна основному диоду 107, где анод авторотационного диода 303 соединен с катодом основного диода 107, а катод диода 303 авторотации соединен с положительным электродом источника 309 напряжения. Основной выключатель 302 и резонансный конденсатор 304 соединены параллельно диоду 303 авторотации. Вспомогательный выключатель 301 подсоединен между положительным электродом источника 309 напряжения и катодом вспомогательного диода 108.
Фиг. 3С представляет топологическую структуру плеча мостовой схемы при применении в мостовой схеме, где одно плечо можно считать сочетанием схемы УСИЛЕНИЯ и схемы КОМПЕНСАЦИИ, в которой источник 311 напряжения, первый из основных выключателей 302, первая из резонансных катушек 105 индуктивности, первый из резонансных конденсаторов 304, источник 312 тока, первый из авторотационных диодов 303, первый из вспомогательных выключателей 301, первый из вспомогательных диодов 108 и первый из основных диодов 107 образуют схему КОМПЕНСАЦИИ; источник 312 тока, вторая из резонансных катушек 105' индуктивности, второй из основных диодов 107', источник 311 напряжения, второй из основных выключателей 302', второй из резонансных конденсаторов 304', второй из авторотационных диодов 303', второй из вспомогательных выключателей 301' и второй из вспомогательных диодов 108' образуют схему УСИЛЕНИЯ, причем для образования плеча в мостовой схеме в обеих схемах использованы одни и те же источник 312 тока и источник 311 напряжения.
Топологическая схема состоит из источника 311 напряжения, первого из вспомогательных выключателей 301, второго из вспомогательных выключателей 301', первого из вспомогательных диодов 108, второго из вспомогательных диодов 108', первого из основных выключателей 302, второго из основных выключателей 302', первой из резонансных катушек 105 индуктивности, второй из резонансных катушек 105' индуктивности, первого из резонансных конденсаторов 304, второго из резонансных конденсаторов 304', первого из авторотационных диодов 303, второго из авторотационных диодов 303', первого из основных диодов 107, второго из основных диодов 107' и источника 312 тока, в которой последовательная ветвь, образованная первым из вспомогательных диодов 108 и вторым из вспомогательных диодов 108', подсоединена параллельно источнику 311 напряжения, а анод первого из вспомогательных диодов 108 подсоединен к отрицательному электроду источника 311 напряжения, катод второго из вспомогательных диодов 108' подсоединен к положительному электроду источника 311 напряжения. Первый из вспомогательных выключателей 301 подсоединен параллельно второму из вспомогательных диодов 108', а второй из вспомогательных диодов 301' подсоединен параллельно первому из вспомогательных диодов 108. Последовательная ветвь, образованная первым из диодов 303 авторотации и первой из резонансных катушек 105 индуктивности, подсоединена параллельно второму из вспомогательных диодов 108', в которой катод первого из авторотационных диодов 303 подсоединен к катоду второго из вспомогательных диодов 108'. Последовательная ветвь, образованная вторым из авторотационных диодов 303' и второй из резонансных катушек 105' индуктивности, подсоединена параллельно первому из вспомогательных диодов 108, в которой анод второго из авторотационных диодов 303' подсоединен к аноду первого из вспомогательных диодов 108, первый из основных выключателей 302 и первый из резонансных конденсаторов 304 подсоединены параллельно первому из авторотационных диодов 303. Второй из основных выключателей 302' и второй из резонансных конденсаторов 304' подсоединены параллельно второму из авторотационных диодов 303'. Анод первого из основных диодов 107 подсоединен к отрицательному электроду источника 311 напряжения, а катод первого из основных диодов 107 подсоединен к аноду первого из авторотационных диодов 303. Анод второго из основных диодов 107' подсоединен к катоду второго из авторотационных диодов 303', а катод второго из основных диодов 107' подсоединен к положительному электроду источника 311 напряжения. Один вывод источника 312 тока подсоединен к катоду первого из вспомогательных диодов 108, а второй вывод источника 312 тока подсоединен к другому плечу в мостовой схеме.
Фиг. 3Д представляет собой топологическую структуру дополнительно усовершенствованного изобретения, применяемого в схеме УСИЛЕНИЯ. В схеме, показанной на фиг. 3А, в топологическую структуру добавлены два компонента, то есть демпфирующий конденсатор 306 без потерь и демпфирующий диод 307 без потерь, где последовательная ветвь, образованная демпфирующим диодом 307 без потерь и вспомогательным диодом 108, подсоединена параллельно с последовательной ветвью, образованной резонансной катушкой 105 индуктивности и основным диодом 107; демпфирующий конденсатор 306 без потерь подсоединен между двумя точками соединения вышеупомянутых двух ветвей.
Топологическая схема состоит из источника 305 тока, вспомогательного выключателя 301, вспомогательного диода 108, демпфирующего конденсатора 306 без потерь, демпфирующего диода 307 без потерь, резонансной катушки 105 индуктивности, резонансного конденсатора 304, основного выключателя 302, основного диода 107, авторотационного диода 303 и источника 308 напряжения, в которой последовательная цепь образована последовательно соединенными источником 305 тока, резонансной катушкой 105 индуктивности, основным диодом 107 и источником 308 напряжения, а положительный электрод источника 305 тока соединен с одним концом резонансной катушки 105 индуктивности, другой конец резонансной катушки 105 индуктивности соединен с анодом основного диода 107, и катод основного диода 107 соединен с положительным электродом источника 308 напряжения. Вспомогательный выключатель 301 соединен параллельно источнику 305 тока. Анод авторотационного диода 303 соединен с отрицательным электродом источника 308 напряжения, а катод авторотационного диода 303 соединен с анодом основного диода 107. Основной выключатель 302 и резонансный конденсатор 304 подсоединены параллельно авторотационному диоду 303. Анод вспомогательного диода 108 подсоединен к положительному электроду источника 305 тока, катод вспомогательного диода 108 подсоединен к аноду демпфирующего диода 307 без потерь, катод демпфирующего диода 307 без потерь подсоединен к катоду основного диода 107, а демпфирующий конденсатор 306 без потерь подсоединен между анодом демпфирующего диода 307 без потерь и анодом основного диода 107.
Аналогично топологической структуре схемы, показанной на фиг.3Д, можно также дополнительно улучшить применение изобретения в схеме КОМПЕНСАЦИИ, в которую включают также другой демпфирующий диод 307 без потерь между вспомогательным диодом 108 и источником 310 тока, а катод демпфирующего диода 307 без потерь подсоединяют к аноду вспомогательного диода 108, и анод демпфирующего диода 307 без потерь подсоединяют к отрицательному электроду источника 310 тока. Включен также другой демпфирующий конденсатор 306 без потерь, один вывод которого подсоединен к катоду основного диода 107, а другой его вывод подсоединен к точке соединения вспомогательного диода 108 и демпфирующего диода 307 без потерь.
Фиг. 5 представляет принципиальную схему применения изобретения в схеме УСИЛЕНИЯ. Ее основой является топологическая структура, показанная на фиг. 3А. Эта схема содержит источник 501 напряжения, катушку 502 индуктивности хранения энергии, основной выключатель 302, авторотационный диод 303, резонансный конденсатор 105, вспомогательный выключатель 301, основной диод 107, вспомогательный диод 108, выходной конденсатор 503 фильтра и нагрузочный резистор 504, в которой показанный на фиг.3А источник тока заменен источником 501 напряжения, а катушка 502 индуктивности хранения энергии и выходной конденсатор 503 фильтра вместе с нагрузочным резистором 504 служат в качестве выходной цепи схемы.
На фиг.4
показаны рабочие процессы в изображенной на фиг.5 схеме. Фиг.4А иллюстрирует форму волны
напряжения V1 сигнала возбуждения затвора вспомогательного выключателя 106; фиг.4В иллюстрирует
форму волны напряжения V2 сигнала возбуждения затвора основного выключателя 302;
фиг.4С иллюстрирует форму волны тока I1р в резонансной катушке 105 индуктивности; фиг.4Д
изображает форму волны тока IДвспом вспомогательного диода 108; фиг.4Е представляет форму
волны тока IДосн основного диода 107; фиг.4F представляет форму волны напряжения VQосн основного выключателя 302. Из вышеуказанных чертежей можно видеть следующее:
В
момент времени t= t0 включается вспомогательный выключатель, и поскольку ток катушки 502
индуктивности хранения энергии и резонансной катушки 105 индуктивности не могут мгновенно изменяться,
то в момент включения ток вспомогательного выключателя 301 равен нулю. Таким образом, схема
выполняет включение при нулевом токе вспомогательного выключателя 301 посредством резонансной катушки 105
индуктивности.
Начиная с момента t=t0, ток резонансной катушки 105 индуктивности, то есть ток в основном диоде 107, постепенно уменьшается, и в момент времени t= t1 снижается до нуля, выполняя тем самым мягкое запирание основного диода 107 благодаря использованию резонансной катушки 105 индуктивности.
После мягкого запирания основного диода 107, резонансная катушка 105 индуктивности резонирует с резонансным конденсатором 304, как показано на фиг. 4F, и в момент времени t=t2 напряжение на резонансном конденсаторе 304 резонирует до нуля, то есть напряжение VQосн на основном выключателе 302 также становится равным нулю, а потом начинает запираться авторотационный диод 303.
Во время периода осуществления авторотации авторотационного диода 303, в момент времени t=t3, включается основной выключатель 302, в то же время выключается вспомогательный выключатель 301, так что реализуется включение основного выключателя 302 при нулевом напряжении. В это время ток в катушке 502 индуктивности хранения энергии плюс резонансный ток в резонансной катушке 105 индуктивности проходят к выходному конденсатору 503 фильтра через вспомогательный диод 108, поскольку напряжение на обоих выводах вспомогательного выключателя 301 ограничивается напряжением на выходном конденсаторе 503 фильтра через вспомогательный диод 108, блaгoдapя чему осуществляется фиксирование напряжения, когда выключается вспомогательный выключатель 301.
В момент времени t=t4, когда ток в резонансной катушке 105 индуктивности инвертирует и постепенно увеличивается до величины тока катушки 502 индуктивности хранения энергии, ток вспомогательного диода 108 постепенно уменьшается до нуля, благодаря чему осуществляется мягкое запирание вспомогательного диода 108.
В момент времени t=t5 основной выключатель 302 выключается и выключение основного выключателя 303 осуществляется при нулевом напряжении посредством резонансного конденсатора 304, подсоединенного параллельно основному выключателю 302.
В момент времени t=t6 напряжение на резонансном конденсаторе 304 возрастает до напряжения, равного напряжению на выходном конденсаторе 503 фильтра, отпирание основного диода 107 ограничивает выброс напряжения основного выключателя посредством цепи фиксации напряжения, образованной основным диодом 107 и выходным конденсатором 503 фильтра, как показано на фиг.4F.
В момент времени t=t7 вспомогательный выключатель 301 снова включается, и периодически повторяются вышеописанные процессы.
На основании известной техники, из вышеупомянутого описания можно видеть, что изобретение решает проблему включения вспомогательного выключателя 301 при нулевом токе и в то же время проблему жесткого запирания вспомогательного диода 108.
Различие между показанной на фиг.6 схемой мягкой коммутации и схемой, показанной на фиг.5, состоит в том, что добавлены демпфирующий диод 307 без потерь и демпфирующий конденсатор 306 без потерь, то есть схема представляет собой применение топологической структуры на фиг.3Д. Ее топологическая схема содержит источник 601 напряжения, катушку 602 индуктивности хранения энергии, основной выключатель 302, авторотационный диод 303, резонансный конденсатор 304, резонансную катушку 105 индуктивности, вспомогательный выключатель 301, основной диод 107, вспомогательный диод 108, демпфирующий диод 307 без потерь, демпфирующий конденсатор 306 без потерь, выходной конденсатор 603 фильтра и нагрузочный резистор 604.
Рабочие процессы в схеме, показанной на фиг.6, и схеме, показанной на
фиг.5, отличаются в следующем:
1. В момент времени t=t3, когда вспомогательный
выключатель 301 выключается, ток в катушке индуктивности 602 хранения энергии, плюс резонансный ток в
резонансной катушке 105 индуктивности проходят к демпфирующему конденсатору 306 без потерь через
вспомогательный диод 108, благодаря чему осуществляется выключение вспомогательного выключателя 301 при
нулевом напряжении.
2. В момент времени t=t5, когда основной выключатель 302 выключается, накопленная энергия в демпфирующем конденсаторе 306 без потерь подается на выходной конденсатор 603 фильтра через демпфирующий диод 307 без потерь.
Показанная на фиг.7 топологическая схема мягкой коммутации представляет собой
применение изобретения в схеме
КОМПЕНСАЦИИ. Ее основа состоит в топологической структуре, показанной на фиг.3В. Ее
схема содержит источник 701 напряжения, катушку 702 индуктивности хранения энергии, вспомогательный выключатель 301,
основной выключатель 302, авторотационный диод 303, резонансный конденсатор 304,
резонансную катушку 105 индуктивности, основной диод 107, вспомогательный диод 108, выходной конденсатор 703 фильтра и
нагрузочный резистор 704. Ее идея реализации ВНН (выключения при нулевом
напряжении) такая же, как в схеме ВНН-УСИЛЕНИЯ, показанной на фиг.5, а специальные рабочие процессы состоят в следующем:
Когда включается вспомогательный выключатель 301, посредством
резонансной катушки 105 индуктивности выполняется мягкое запирание основного диода 107 и включение вспомогательного выключателя 301
при нулевом токе.
После мягкого запирания основного диода 107, резонансный конденсатор 304 резонирует с резонансной катушкой 105 индуктивности, когда падение напряжения на резонансном конденсаторе 304 равно нулю, авторотационный диод 303 начинает отпираться. Во время периода отпирания авторотационного диода 303, включается основной выключатель 302, благодаря чему выполняется включение основного выключателя 302 при нулевом напряжении.
В то время, когда включается основной выключатель 302, вспомогательный выключатель 301 выключается, в этот момент вспомогательный диод 108 отпирается с целью обеспечения авторотации для катушки 702 индуктивности хранения энергии и резонансной катушки 105 индуктивности.
После включения основного выключателя 302, ток в резонансной катушке 105 индуктивности постепенно возрастает, поэтому осуществляется мягкое запирание вспомогательного диода 108.
При выключении основного выключателя 302, резонансный конденсатор 304, соединенный параллельно с основным выключателем 302, осуществляет выключение основного выключателя при нулевом напряжении.
Когда напряжение на резонансном конденсаторе 304 возрастет до уровня напряжения источника 701 напряжения, отпирается основной диод 107.
Через некоторое время после этого снова включается вспомогательный выключатель и осуществляется периодическое повторение вышеописанных процессов.
Применение дополнительно усовершенствованного изобретения в схеме КОМПЕНСАЦИИ видно на фиг. 8. Схема основана на схеме, показанной на фиг.7, с добавлением демпфирующего диода 307 без потерь и демпфирующего конденсатора 306 без потерь. Схема содержит источник 801 напряжения, вспомогательный выключатель 301, основной выключатель 302, авторотационный диод 303, резонансный конденсатор 304, резонансную катушку 105 индуктивности, основной диод 107, вспомогательный диод 108, демпфирующий диод 307 без потерь, демпфирующий конденсатор 306 без потерь, катушку индуктивности 802 хранения энергии, выходной конденсатор 803 фильтра и нагрузочный резистор 804.
Отличие рабочего процесса в схеме, показанной на фиг.8, от процесса в схеме,
показанной на фиг.7, состоит в следующем:
1. При выключении вспомогательного выключателя 301, обеспечивается
авторотация для катушки 802 индуктивности хранения энергии через основной
выключатель 302, демпфирующий конденсатор 306 без потерь и вспомогательный диод 108, тем временем демпфирующий конденсатор 306
без потерь и вспомогательный диод 108 также обеспечивают авторотацию для
резонансной катушки 105 индуктивности, и осуществляется выключение вспомогательного выключателя 301 при нулевом напряжении
посредством заряда демпфирующего конденсатора 306 без потерь.
2. При выключении основного выключателя 302, накопленная в демпфирующем конденсаторе 306 без потерь энергия передается резонансной катушке 105 индуктивности и катушке 802 индуктивности хранения энергии через демпфирующий диод 307 без потерь.
Применение изобретения в мостовой схеме показано на фиг.9. Показанная на фиг. 9 схема представляет собой принципиальную схему плеча в мостовой схеме, основа которой состоит в топологической структуре, показанной на фиг.3С. Схема содержит источник 901 напряжения, первый из вспомогательных выключателей 301, второй из вспомогательных выключателей 301', первый из основных выключателей 302, второй из основных выключателей 302', первый из авторотационных диодов 303, второй из авторотационных диодов 303', первый из резонансных конденсаторов 304, второй из резонансных конденсаторов 304', первую из резонансных катушек 105 индуктивности, вторую из резонансных катушек 105' индуктивности, первый из основных диодов 107, второй из основных диодов 107', первый из вспомогательных диодов 108, второй из вспомогательных диодов 108' и катушку индуктивности 902, в которой источник 901 напряжения, первый из основных выключателей 302, первая из резонансных катушек 105 индуктивности, первая из катушек 902 индуктивности, первый из резонансных конденсаторов 304, первый из авторотационных диодов 303, первый из вспомогательных выключателей 301 и первый из вспомогательных диодов 108 образуют схему ВНН-КОМПЕНСАЦИИ, катушка 902 индуктивности, вторая из резонансных катушек 105' индуктивности, второй из основных диодов 107', источник 901 напряжения, второй из основных выключателей 302', второй из резонансных конденсаторов 304', второй из авторотационных диодов 303', второй из вспомогательных выключателей 301' и второй из вспомогательных диодов 108' образуют схему ВНН-УСИЛЕНИЯ, и эти две схемы используют катушку 902 индуктивности и источник 901 напряжения, образуя плечо в мостовой схеме, другой вывод (С) катушки 902 индуктивности соединен с другими плечами моста.
Показанная на фиг.10 схема представляет собой принципиальную схему применения дополнительно усовершенствованного изобретения в плече мостовой схемы. Данная схема основана на схеме фиг.9 с добавлением первого из демпфирующих конденсаторов 306 без потерь, второго из демпфирующих конденсаторов 306' без потерь, первого из демпфирующих диодов 307 без потерь и второго из демпфирующих диодов 307' без потерь, в которой к схеме ВНН-КОМПЕНСАЦИИ, показанной на фиг.9, добавлены первый из демпфирующих конденсаторов 306 без потерь и первый из демпфирующих диодов 307 без потерь, с целью образования усовершенствованной схемы ВНН-КОМПЕНСАЦИИ; второй из демпфирующих конденсаторов 306' без потерь и второй из демпфирующих диодов 307' без потерь добавлены к схеме ВНН-УСИЛЕНИЯ, показанной на фиг.9, с целью образования усовершенствованной схемы ВНН-УСИЛЕНИЯ. Соединения в ней такие же, как описано в схеме по изобретению.
На фиг. 11 показана соответствующая изобретению схема, применяемая при коррекции коэффициента мощности (ККМ) 2 кВт. Она представляет собой схему ВНН-УСИЛЕНИЯ, в которой на вход поступает однофазное напряжение 220 В переменного тока, которое после фильтрации схемой 1101 фильтра и после выполнения выпрямления мостовой выпрямительной схемой 1002, подается на основную схему в качестве напряжения источника; значение индуктивности катушки 1003 индуктивности хранения энергии в основном контуре устанавливается на величину 300 мкгН, значение индуктивности резонансной катушки 105 устанавливается на величину 20 мкгН, основным диодом 107 является элемент ДSEI 30-06А (600 В, 37 А), вспомогательным диодом 108 является элемент ДSEI 12-06А (600 В, 14 А), основной выключатель 302 состоит из двух параллельно соединенных МОП-транзисторов с номером модели IXFH 32N50 (500 В, 32 А), тогда как вспомогательный выключатель 301 содержит МОП-транзистор с номером модели IXFH 20N60 (600 В, 20 А), схема управления возбуждением основного выключателя 302 и вспомогательного выключателя 301 состоит из специальной интегральной схемы управления ВНН-ККМ с номером модели UC 3855BN, резонансный конденсатор представляет собой безиндуктивный конденсатор емкостью 4 пФ. Входной конденсатор фильтра содержит три параллельно соединенных конденсатора на 330 мкФ, 450 В. Эта схема может обеспечить постоянный ток с выходным напряжением 450 В и мощностью 2 кВт, достигая удовлетворительного результата с эффективностью выше 97,3%.
Применение дополнительно усовершенствованной схемы по изобретению в 2 кВт схеме ККМ показано на фиг.12. Значения, установленные для других компонентов и устройств, в основном такие же, как на фиг.11, тогда как дополнительным демпфирующим диодом без потерь является диод ДSEI 12-60А (600 В, 14 А), а демпфирующий конденсатор без потерь имеет величину безиндуктивной емкости 6 пФ.
Эффективность применения дополнительно усовершенствованного изобретения в 2 кВт схеме ККМ достигает более 97,5%.
Хотя основные технические особенности и преимущества изобретения подробно описаны посредством вышеприведенных предпочтительных вариантов осуществления, очевидно защита объема изобретения не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, а включает в себя разнообразные очевидные альтернативные схемы, в соответствии с вышеописанной концепцией изобретения.
Реферат
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в топологической схеме мягкой коммутации. Технический результат заключается в уменьшении потерь энергии при коммутации. В топологической схеме мягкой коммутации включение выполняется при нулевом напряжении, когда включается основной выключатель, посредством использования резонанса резонансной катушки индуктивности и резонансного конденсатора после включения вспомогательного выключателя. Более того, во время выключения основного выключателя резонансная катушка индуктивности выдерживает падение напряжения, которое вызывает отсутствие подачи энергии устройством подачи энергии, соответствующим вспомогательному выключателю, когда включен вспомогательный выключатель, выполняя тем самым включение вспомогательного выключателя при нулевом токе и увеличивая эффективность работы схемы. 3 с. и 24 з.п. ф-лы, 12 ил.
