RU211428U1

RU211428U1 - RESONANT BRIDGE VOLTAGE CONVERTER

Info

Publication number: RU211428U1
Application number: RU2022110129U
Authority: RU
Original assignee: Акционерное Общество "Центр Новых Технологий Электро Энергетики" (АО "ЦНТЭЭ")
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2022-06-06

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники. Техническим результатом является обеспечение высокого КПД устройства. Резонансный мостовой преобразователь напряжения включает в себя мост из четырех ключевых элементов с диодами, подключенный к источнику питания, трансформатор, выпрямитель, включенный параллельно вторичной обмотке трансформатора, емкость, включенную параллельно выпрямителю на выходе преобразователя, последовательный колебательный контур, содержащий вторую емкость, включенную последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и имеющий схему формирования импульсов, соединенную с ключевыми элементами. Причем на входе преобразователя параллельно источнику включена входная емкость, а в диагональ моста включена индуктивность. Ключевые элементы по разные стороны индуктивности в диагонали моста включают в себя емкости, образующие параллельный колебательный контур с индуктивностью, включенной в диагональ моста. При этом элементы параллельного колебательного контура и ключевых элементов подобраны таким образом, что интервал времени, когда все ключевые элементы закрыты, меньше или равен полупериоду собственных колебаний параллельного контура. Выпрямитель может быть выполнен на управляемых ключах на полевых транзисторах. Последовательный колебательный контур образован емкостью, включенной последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и индуктивностью рассеяния этого трансформатора, что позволяет упростить схему устройства.

The utility model relates to electrical engineering, in particular to the field of converter technology. The technical result is to ensure high efficiency of the device. The resonant bridge voltage converter includes a bridge of four key elements with diodes connected to a power source, a transformer, a rectifier connected in parallel with the secondary winding of the transformer, a capacitance connected in parallel with the rectifier at the output of the converter, a series oscillatory circuit containing a second capacitance connected in series with the primary winding of the transformer, and having a pulse shaping circuit connected to the key elements. Moreover, at the input of the converter, the input capacitance is connected in parallel to the source, and the inductance is included in the diagonal of the bridge. Key elements on opposite sides of the inductance in the bridge diagonal include capacitances forming a parallel oscillatory circuit with the inductance included in the bridge diagonal. At the same time, the elements of the parallel oscillatory circuit and the key elements are selected in such a way that the time interval when all the key elements are closed is less than or equal to the half-period of natural oscillations of the parallel circuit. The rectifier can be made on controlled switches on field-effect transistors. The series oscillatory circuit is formed by a capacitance connected in series with the primary winding of the transformer and the leakage inductance of this transformer, which makes it possible to simplify the circuit of the device.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники.The utility model relates to electrical engineering, in particular to the field of converter technology.

Известен преобразователь (патент RU №2447571), включающий в себя входную емкость, мостовой преобразователь из четырех ключевых элементов, трансформатор, выпрямитель и выходную емкость, а также схему формирования импульсов с компаратором и переключателем режима работы, связанным с ключевым элементами. Ключевые элементы поочередно замыкаются и размыкаются по сигналу схемы формирования импульсов, и когда одна пара ключевых элементов разомкнута, другая замкнута и наоборот.A converter is known (patent RU No. 2447571), which includes an input capacitance, a bridge converter of four key elements, a transformer, a rectifier and an output capacitance, as well as a pulse shaping circuit with a comparator and an operation mode switch associated with the key elements. The key elements alternately close and open according to the signal of the pulse shaping circuit, and when one pair of key elements is open, the other is closed and vice versa.

Так же известен преобразователь (патент RU №117744), включающий в себя входную емкость, мостовой преобразователь из четырех ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходную емкость, а также схему формирования импульсов, связанную с ключевыми элементами. В качестве ключевых элементов используются биполярные, полевые или IGBT транзисторы, имеющие внутренний обратный диод, или силовые транзисторы с дополнительно установленными обратными диодами. Ключевые элементы поочередно замыкаются и размыкаются по сигналу схемы формирования импульсов, и когда одна пара ключевых элементов разомкнута, другая замкнута и наоборот.A converter is also known (patent RU No. 117744), which includes an input capacitance, a bridge converter of four key elements, a transformer, a rectifier and an output capacitance, as well as a pulse shaping circuit associated with key elements. As key elements, bipolar, field-effect or IGBT transistors are used, having an internal freewheeling diode, or power transistors with additionally installed freewheeling diodes. The key elements alternately close and open according to the signal of the pulse shaping circuit, and when one pair of key elements is open, the other is closed and vice versa.

Известные схемы не предусматривают учет величины напряжения и/или тока в моменты переключения ключевых элементов, то есть при каждом переключении происходит потеря энергии. Недостатком известных устройств является низкий коэффициент полезного действия в силу отсутствия учета напряжения и тока в моменты переключения ключевых элементов.Known schemes do not take into account the magnitude of voltage and/or current at the moments of switching of key elements, that is, with each switching there is a loss of energy. The disadvantage of the known devices is the low efficiency due to the lack of consideration of voltage and current at the moments of switching of key elements.

Ближайшим по совокупности существенных признаков является мостовой преобразователь (патент RU 2459342), включающий в себя мост с четырьмя ключевыми элементами, содержащими ключ и диод и подключенными к источнику питания, последовательный и параллельный колебательные контуры, трансформатор, обмотка которого последовательно соединена с колебательным контуром, выпрямитель, емкость и схему формирования импульсов. Емкость включена параллельно выпрямителю на выходе преобразователя. Параллельный контур образован сопротивлением суммарной нагрузки, приведенной к первичной стороне трансформатора, емкостью, шунтирующей трансформатор, и индуктивностью трансформатора. Последовательный контур образован емкостью и индуктивностью, подключенными последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Элементы колебательного контура обеспечивают его резонансную частоту такую, что полупериод собственных колебаний контура приблизительно равен длительности импульсов, поступающих с заданной частотой повторения на верхние (или нижние) ключевые элементы.The closest in terms of essential features is a bridge converter (patent RU 2459342), which includes a bridge with four key elements containing a key and a diode and connected to a power source, serial and parallel oscillatory circuits, a transformer, the winding of which is connected in series with the oscillatory circuit, a rectifier , capacitance and pulse shaping circuit. The capacitance is connected in parallel to the rectifier at the output of the converter. The parallel circuit is formed by the total load resistance brought to the primary side of the transformer, the capacitance shunting the transformer, and the inductance of the transformer. A series circuit is formed by a capacitance and an inductance connected in series with the primary winding of the transformer. The elements of the oscillatory circuit provide its resonant frequency such that the half-cycle of natural oscillations of the circuit is approximately equal to the duration of the pulses arriving at a given repetition rate to the upper (or lower) key elements.

Недостатком является отсутствия учета величины напряжения и тока в моменты переключения ключевых элементов, что ведет к низкому коэффициенту полезного действия (КПД) преобразователя.The disadvantage is the lack of consideration of the magnitude of voltage and current at the moments of switching of key elements, which leads to a low coefficient of performance (COP) of the converter.

Задачей полезной модели является создание преобразователя постоянного напряжения с высоким КПД.The objective of the utility model is to create a DC voltage converter with high efficiency.

Задача решается за счет того, что резонансный мостовой преобразователь напряжения включает в себя мост из четырех ключевых элементов с обратными диодами, подключенный к источнику питания, трансформатор, выпрямитель, подключенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой, емкость, включенную параллельно выпрямителю на выходе преобразователя, последовательный колебательный контур, содержащий вторую емкость, включенную последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и имеющий схему формирования импульсов, соединенную с ключевыми элементами. Причем на входе преобразователя параллельно источнику включена входная емкость, а в диагональ моста включена индуктивность. Ключевые элементы по разные стороны индуктивности в диагонали моста включают в себя емкости, образующие параллельный колебательный контур с индуктивностью, включенной в диагональ моста. При этом элементы параллельного колебательного контура и ключевых элементов подобраны таким образом, что интервал времени, когда все ключевые элементы закрыты, меньше или равен полупериоду собственных колебаний параллельного контура.The problem is solved due to the fact that the resonant bridge voltage converter includes a bridge of four key elements with reverse diodes connected to a power source, a transformer, a rectifier connected between the secondary winding of the transformer and the load, a capacitance connected in parallel to the rectifier at the output of the converter, serial an oscillatory circuit containing a second capacitance connected in series with the primary winding of the transformer, and having a pulse shaping circuit connected to the key elements. Moreover, at the input of the converter, the input capacitance is connected in parallel to the source, and the inductance is included in the diagonal of the bridge. Key elements on opposite sides of the inductance in the bridge diagonal include capacitances forming a parallel oscillatory circuit with the inductance included in the bridge diagonal. At the same time, the elements of the parallel oscillatory circuit and the key elements are selected in such a way that the time interval when all the key elements are closed is less than or equal to the half-period of natural oscillations of the parallel circuit.

Техническим результатом является обеспечение высокого КПД устройства.The technical result is to ensure high efficiency of the device.

Технический результат достигается тем, что переключение ключевых элементов осуществляется в момент времени, когда токи и напряжения в ключевых элементах одновременно близки к нулю.The technical result is achieved by the fact that the switching of the key elements is carried out at a time when the currents and voltages in the key elements are simultaneously close to zero.

Индуктивность введена в диагональ моста и образует параллельный колебательный контур с емкостями ключевых элементов. Индуктивность накапливает энергию при открытом состоянии ключевых элементов, обеспечивает перезаряд емкостей ключевых элементов при их закрытом состоянии и определяет время перезаряда этих емкостей. Моменты переключения ключевых элементов схемой формирования импульсов выбираются таким образом, чтобы во время переключения напряжение на них было близко к 0, т.е. два ключа закрываются до перезаряда, а два других открываются после завершения перезаряда. Благодаря введению индуктивности, такие моменты времени существуют при любых значениях входного напряжения, тока и емкостей ключевых элементов.The inductance is introduced into the diagonal of the bridge and forms a parallel oscillatory circuit with the capacitances of the key elements. The inductance accumulates energy when the key elements are open, ensures the recharge of the capacitances of the key elements when they are closed, and determines the recharge time for these capacitances. The moments of switching of key elements by the pulse formation circuit are chosen in such a way that during switching the voltage across them is close to 0, i.e. two keys are closed before recharging, and the other two are opened after the recharge is completed. Due to the introduction of inductance, such moments of time exist for any values of the input voltage, current and capacitances of key elements.

Последовательный контур формирует синусоидальную форму тока в обмотках трансформатора и ключевых элементах, причем период синусоидального колебания зависит только от параметров контура, что позволяет производить переключения ключевых элементов в фиксированные моменты времени, когда ток близок к нулю. Элементы параллельного колебательного контура и ключевых элементов подобраны таким образом, что интервал времени, когда все ключевые элементы закрыты («мертвое время»), меньше или равен полупериоду собственных колебаний параллельного контура. Если «мертвое время» будет больше, чем полпериода колебаний, то напряжение в диагонали моста начнет уменьшаться, и включение ключей уже не будет происходить при нулевом напряжении, то есть увеличатся потери.The series circuit generates a sinusoidal current in the transformer windings and key elements, and the period of the sinusoidal oscillation depends only on the parameters of the circuit, which makes it possible to switch key elements at fixed times when the current is close to zero. The elements of the parallel oscillatory circuit and the key elements are selected in such a way that the time interval when all the key elements are closed ("dead time") is less than or equal to the half-period of natural oscillations of the parallel circuit. If the "dead time" is more than half a period of oscillation, then the voltage in the diagonal of the bridge will begin to decrease, and the switching on of the keys will no longer occur at zero voltage, that is, the losses will increase.

Совокупность признаков по п. 2 характеризует устройство, в котором выпрямитель выполнен на управляемых ключах на полевых транзисторах. Это позволяет дополнительно уменьшить потери на проводимость и повысить КПД преобразователя, так как открытый полевой транзистор представляет собой малое сопротивление, и падение напряжение на нем может быть обеспечено (путем выбора транзистора) намного меньшим, чем падение напряжения на открытом диоде.The set of features according to claim 2 characterizes a device in which the rectifier is made on controlled switches on field-effect transistors. This further reduces conduction losses and increases the efficiency of the converter, since an open field-effect transistor is a low resistance, and the voltage drop across it can be provided (by choosing a transistor) much less than the voltage drop across an open diode.

Совокупность признаков по п. 3 характеризует устройство, в котором последовательного колебательный контур образован емкостью, включенной последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и индуктивностью рассеяния этого трансформатора, что позволяет упростить схему устройства.The set of features according to claim 3 characterizes a device in which the series oscillatory circuit is formed by a capacitance connected in series with the primary winding of the transformer and the leakage inductance of this transformer, which makes it possible to simplify the circuit of the device.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная электрическая схема устройства, заключенного в едином корпусе, на фиг. 2. - эквивалентная электрическая схема устройства, на фиг. 3 показана временная диаграмма работы преобразователя, на фиг. 4. показаны направления протекания токов во время работы схемы (фиг. 4(a) для периода времени t2-t5, фиг. 4(б) для периода времени t5-t6, фиг. 4(в) - состояние в момент времени t6, фиг. 4(г) - для периода времени t6-t3, фиг. 4(д) - для периода времени t3-t4, фиг. 4(e) - состояние в момент времени t4).The utility model is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a structural electrical diagram of a device enclosed in a single housing, in Fig. 2. - equivalent electrical circuit of the device, in Fig. 3 shows the timing diagram of the converter, in Fig. Fig. 4(b) for the time period t5-t6, Fig. 4(c) - state at time t6, Fig. 4(d) - for the time period t6-t3, Fig. 4(e) - for the time period t3-t4, Fig. 4(e) - state at time t4).

Преобразователь (фиг. 1) содержит мост из ключевых элементов 1-4 (К1-К4), подключенный к входу преобразователя, причем в диагональ моста включена индуктивность 5 (L1). Емкость 6 (С1) включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора 7 (Т) и входит в состав последовательного колебательного контура. Выпрямитель 8 (В) подключен к вторичной обмотке трансформатора 7 (Т). Емкость 9 (Свых), включена параллельно выпрямителю 8 (В) на выходе преобразователя. Выходы схемы формирования импульсов 10 (СФИ) соединены с входами ключевых элементов 1-4. Для обеспечения низкого полного сопротивления на входе преобразователя включена входная емкость 11 (Свх).The converter (Fig. 1) contains a bridge of key elements 1-4 (K1-K4) connected to the input of the converter, and inductance 5 (L1) is included in the diagonal of the bridge. Capacitance 6 (C1) is connected in series with the primary winding of the transformer 7 (T) and is part of the series oscillatory circuit. Rectifier 8 (B) is connected to the secondary winding of transformer 7 (T). Capacitance 9 (Cout), connected in parallel to the rectifier 8 (V) at the output of the converter. The outputs of the pulse shaping circuit 10 (PFI) are connected to the inputs of the key elements 1-4. To ensure low impedance at the input of the converter, input capacitance 11 (Sin) is included.

На фиг. 2. показано, что в качестве ключевых элементов 1 -4 использованы полевые транзисторы, в структуру которых входит транзистор, шунтированный диодом и емкостью. Благодаря емкости 11 (Свх), для переменного тока точки «+» и «-» Uвх замкнуты, поэтому емкость параллельного контура может быть подключена параллельно любым двум ключевым элементам в плечах моста по разные стороны индуктивности 5 (L1). Для примера введены емкости С2 и С4 в ключевые элементы 2 и 4. Возможно введение емкостей С1 и С3 в ключи 1 и 3 или во все четыре ключа, при этом работа устройства аналогична. В качестве емкости может использоваться собственная емкость ключа (транзистора) или отдельный конденсатор.In FIG. 2. it is shown that field-effect transistors are used as key elements 1-4, the structure of which includes a transistor shunted by a diode and a capacitance. Due to capacitance 11 (Sin), for alternating current, the “+” and “-” points Uin are closed, so the capacitance of the parallel circuit can be connected in parallel to any two key elements in the bridge arms on opposite sides of inductance 5 (L1). For example, capacitances C2 and C4 are introduced into key elements 2 and 4. It is possible to introduce capacitances C1 and C3 into keys 1 and 3 or into all four keys, while the operation of the device is similar. As a capacitance, the key's own capacitance (transistor) or a separate capacitor can be used.

Последовательный колебательный контур образован емкостью 6 (С1) и индуктивностью 12 (L2), причем в качестве L2 может использоваться индуктивность рассеяния трансформатора 7, что позволяет упростить схему устройства и анализ ее работы. При этом параметры образующих этот контур элементов обеспечивают равенство половины периода его собственных колебаний длительности импульсов переключения ключевых элементов. Выпрямитель 8 с диодами VD5-VD8 подключен к вторичной обмотке трансформатора.The series oscillatory circuit is formed by a capacitance 6 (C1) and an inductance 12 (L2), and the leakage inductance of the transformer 7 can be used as L2, which makes it possible to simplify the circuit of the device and analyze its operation. At the same time, the parameters of the elements forming this circuit ensure the equality of half of the period of its natural oscillations to the duration of the switching pulses of the key elements. Rectifier 8 with diodes VD5-VD8 is connected to the secondary winding of the transformer.

Работа устройство поясняется фиг. 3 и фиг. 4. и осуществляется следующим образом.The operation of the device is illustrated in Fig. 3 and FIG. 4. and is carried out as follows.

Работу преобразователя рассмотрим, начиная с момента времени t2. В этот момент: ключевые элементы 2 и 3 замкнуты, а 1 и 4 - разомкнуты; ток в цепи, образованной элементами 6 (С1), 12 (L2), 7 (Т), близок к нулю; емкость 6 (С1) заряжена до максимального напряжения. Ток в индуктивности 5 (L1) близок к максимальному; напряжение на входной емкости 11 Свх равно напряжению источника питания; напряжение на емкости 9 (Свых) равно напряжению источника питания, умноженному на коэффициент трансформации Т. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора 7 близок к нулю, ток индуктивности 5 (L1) протекает через замкнутые ключи 2 и 3 емкость 11 (Свх) и источник питания, возвращая накопленную в индуктивности 5 (L1) энергию в емкость 11 Свх и источник питания. Емкость 6 (С1) начинает разряжаться, при этом ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, и вызывает пропорциональный ток во вторичной обмотке трансформатора 7, который протекает через диоды VD6, VD7, емкость 9 (Свых) и нагрузку. В то же время через ключи 2 и 3, протекает ток индуктивности 5 (L1) в противоположном направлении. В момент времени t5 (фиг. 4(6)), ток в контуре L2C1, сравняется с током индуктивности 5 (L1), поскольку он направлен противоположно, начинается потребление энергии из источника. При этом до момента t6, в нагрузку передается энергия из индуктивности 5 (L1), а после t6 энергия из источника передается в нагрузку и накапливается в индуктивность 5 (L1), (фиг. 4(в), (г)).Let us consider the operation of the converter starting from the time t2. At this moment: key elements 2 and 3 are closed, and 1 and 4 are open; the current in the circuit formed by elements 6 (C1), 12 (L2), 7 (T) is close to zero; capacitance 6 (C1) is charged to the maximum voltage. The current in inductor 5 (L1) is close to maximum; the voltage at the input capacitance 11 SV is equal to the voltage of the power source; the voltage across the capacitance 9 (Cout) is equal to the voltage of the power source multiplied by the transformation ratio T. Since the current in the primary winding of the transformer 7 is close to zero, the current of the inductor 5 (L1) flows through the closed keys 2 and 3 capacitance 11 (Cout) and the power supply , returning the energy accumulated in the inductance 5 (L1) to the capacitance 11 Svh and the power source. Capacitance 6 (C1) begins to discharge, while the current flows through the primary winding of the transformer 7, and causes a proportional current in the secondary winding of the transformer 7, which flows through the diodes VD6, VD7, capacitance 9 (Cout) and load. At the same time, through the switches 2 and 3, the inductance current 5 (L1) flows in the opposite direction. At the time t5 (Fig. 4(6)), the current in the circuit L2C1 equals the current of the inductor 5 (L1), since it is directed oppositely, the consumption of energy from the source begins. In this case, until the moment t6, energy is transferred to the load from inductance 5 (L1), and after t6, energy from the source is transferred to the load and accumulates in inductance 5 (L1), (Fig. 4(c), (d)).

Поскольку элементы 12 и 6 образуют колебательный контур L2C1, в нем происходит свободный колебательный процесс в течение всего времени t2-t3. При этом в момент t6 емкость 6 разрядится до нуля, а к моменту t3 снова зарядится в противоположном направлении. Ток в контуре в момент t6 достигнет максимума, а к моменту t3 снова уменьшится до нуля. В течение t2-t3 ток будет иметь синусоидальную форму. Поскольку этот ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, во вторичной обмотке возникает пропорциональный ему ток, который протекает через диоды VD6, VD7, емкость 9 (Свых) и нагрузку.Since elements 12 and 6 form an oscillatory circuit L2C1, a free oscillatory process occurs in it during the entire time t2-t3. In this case, at the moment t6, the capacitance 6 will be discharged to zero, and by the moment t3 it will be charged again in the opposite direction. The current in the circuit at time t6 will reach a maximum, and by time t3 will again decrease to zero. During t2-t3 the current will be sinusoidal. Since this current flows through the primary winding of the transformer 7, a current proportional to it appears in the secondary winding, which flows through the diodes VD6, VD7, capacitance 9 (Cout) and the load.

Длительность интервала t2-t3 равна половине периода собственных колебаний контура L1C1, и в первом приближении не зависит ни от каких других величин.The duration of the interval t2-t3 is equal to half the period of natural oscillations of the L1C1 circuit, and in the first approximation does not depend on any other quantities.

К моменту t3 схема будет находиться в состоянии: ток в цепи C1, L2, T1:1,2 близок к нулю; емкость 6 (С1) заряжена до максимального напряжения; ток в индуктивности 5 (L1) близок к максимальному.By the time t3, the circuit will be in the state: the current in the circuit C1, L2, T1:1,2 is close to zero; capacity 6 (C1) is charged to the maximum voltage; the current in the inductor 5 (L1) is close to the maximum.

Промежуток времени t3-t4 (фиг. 4(д)) - «мертвое время» ключевых элементов, в промежуток времени t3-t4 все ключевые элементы закрыты.The time interval t3-t4 (Fig. 4(e)) is the "dead time" of key elements, in the time interval t3-t4 all key elements are closed.

В момент t3 сигналом схемы формирования импульсов 10 закрываются ключи 2 и 3. Поскольку параллельно ключам включены емкости С2, С4, за время закрытия, напряжение на ключах не успевает заметно измениться, что обеспечивает малые потери на переключение. После закрытия ключей, происходит перезарядка емкостей С2, С4, током индуктивности 5 (L1). Сначала, на интервале t3-t7, емкость С4 разряжается через индуктивность 5 (L1) и емкость С2, при этом ток индуктивности 5 (L1), продолжает увеличиваться, т.к. напряжение на С4 больше, чем на С2.At the moment t3, the signals of the pulse formation circuit 10 close the switches 2 and 3. Since the capacitances C2 and C4 are connected in parallel to the switches, during the closing time, the voltage across the switches does not have time to noticeably change, which ensures low switching losses. After the keys are closed, the capacitances C2, C4 are recharged by the inductor current 5 (L1). First, at the interval t3-t7, the capacitance C4 is discharged through the inductance 5 (L1) and the capacitance C2, while the current of the inductor 5 (L1) continues to increase, because The voltage on C4 is greater than on C2.

В момент t7, напряжение на С2 и С4 одинаковое. На интервале t7-t4, ток индуктивности 5 (L1) продолжает разряжать емкость С4 и заряжать емкость С2. В момент t4, напряжение на емкости С2 становится равным напряжению источника, а на С4 - равным нулю.At time t7, the voltage across C2 and C4 is the same. At the interval t7-t4, the current of the inductor 5 (L1) continues to discharge the capacitance C4 and charge the capacitance C2. At the moment t4, the voltage on the capacitance C2 becomes equal to the source voltage, and on C4 it becomes equal to zero.

Напряжение на С2 могло бы расти, а на С4-падать и далее пока в индуктивности 5 (L1) течет ток, но открываются диоды VD1 и VD4, ограничивая напряжения на емкостях. Ток индуктивности 5 (L1) течет через открытые диоды и источник питания, энергия индуктивности возвращается в источник питания.The voltage on C2 could rise, and on C4 it could fall and further while current flows in inductance 5 (L1), but diodes VD1 and VD4 open, limiting the voltage on the capacitances. The current of the inductor 5 (L1) flows through the open diodes and the power supply, the energy of the inductor is returned to the power supply.

Одновременно с перезарядом емкостей С2, С4, ток индуктивности 5 (L1) течет через колебательный контур L2C1 и первичную обмотку трансформатора 7, вызывая пропорциональный ток во вторичной обмотке, который перезаряжает паразитные емкости (на фигурах не показаны) диодов VD5-VD8.Simultaneously with the recharging of capacitances C2, C4, the inductance current 5 (L1) flows through the oscillatory circuit L2C1 and the primary winding of the transformer 7, causing a proportional current in the secondary winding, which recharges the parasitic capacitances (not shown in the figures) of the diodes VD5-VD8.

Из-за наличия L2, напряжение на диодах изменяется медленнее, чем на емкостях С2, С4, но при малой величине L2, это различие незначительно и не влияет на работу схемы.Due to the presence of L2, the voltage on the diodes changes more slowly than on the capacitances C2, C4, but with a small value of L2, this difference is insignificant and does not affect the operation of the circuit.

Также, емкость 6 начинает разряжаться через индуктивность 11, трансформатор 7, индуктивность 5 (L1), но пока ток в контуре L2C1 меньше, чем ток индуктивности 5 (L1), напряжения на ключах и диодах не изменяются. Токи сравняются в момент t8.Also, capacitance 6 begins to discharge through inductance 11, transformer 7, inductance 5 (L1), but as long as the current in the L2C1 circuit is less than the current of inductance 5 (L1), the voltages on the switches and diodes do not change. The currents will equalize at time t8.

Время t3-t4 определяется емкостями С2, С4, индуктивностью 5(L1).Time t3-t4 is determined by capacitances C2, C4, inductance 5(L1).

В момент t4, или несколько позже, но ранее t8, сигналом схемы формирования импульсов 11, открываются ключи 1 и 4. Ток индуктивности 5 (L1) начинает течь через них. При этом напряжение на ключах равно нулю и потери при включении отсутствуют.At the moment t4, or somewhat later, but earlier than t8, the signal of the pulse formation circuit 11 opens the switches 1 and 4. The current of the inductor 5 (L1) starts to flow through them. In this case, the voltage on the keys is zero and there are no losses when switching on.

Емкость 6 начинает разряжаться, при этом ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, и вызывает пропорциональный ток во вторичной обмотке трансформатора 7, который протекает через диоды VD5, VD8, емкость 9 и нагрузку. В то же время через ключи 1 и 4, протекает ток индуктивности 5 (L1) в противоположном направлении.Capacitance 6 begins to discharge, while the current flows through the primary winding of the transformer 7, and causes a proportional current in the secondary winding of the transformer 7, which flows through the diodes VD5, VD8, capacitance 9 and load. At the same time, through the switches 1 and 4, the inductance current 5 (L1) flows in the opposite direction.

В момент времени t8, ток в контуре L2C1, сравняется с током индуктивности 5 (L1), поскольку он направлен противоположно, начинается потребление энергии из источника. При этом до момента t9, в нагрузку передается энергия из 5 (L1), а после t9 энергия из источника передается в нагрузку и накапливается в 5 (L1).At time t8, the current in the circuit L2C1 equals the current of the inductor 5 (L1), since it is directed oppositely, energy consumption from the source begins. In this case, until the moment t9, the energy from 5 (L1) is transferred to the load, and after t9, the energy from the source is transferred to the load and accumulated in 5 (L1).

В контуре L2C1 снова происходит свободный колебательный процесс в течение t4-t1. При этом в момент t9 емкость 6 разрядится до нуля, а к моменту t1 снова зарядится в противоположном направлении. Ток в контуре в момент t9 достигнет максимума, а к моменту t1 снова уменьшится до нуля. В течение t4-t1 ток будет иметь синусоидальную форму. Поскольку этот ток протекает через первичную обмотку трансформатора 7, во вторичной обмотке возникает пропорциональный ему ток, который протекает через диоды VD5, VD8, емкость 9 и нагрузку.In the L2C1 circuit, a free oscillatory process again occurs during t4-t1. In this case, at the moment t9, the capacitance 6 will be discharged to zero, and by the moment t1 it will be charged again in the opposite direction. The current in the circuit at time t9 will reach a maximum, and by time t1 will again decrease to zero. During t4-t1 the current will be sinusoidal. Since this current flows through the primary winding of the transformer 7, a current proportional to it appears in the secondary winding, which flows through the diodes VD5, VD8, capacitance 9 and the load.

В момент t1 сигналом схемы формирования импульсов 11 закрываются ключи 1 и 4.At the moment t1, switches 1 and 4 are closed by the signal of the pulse formation circuit 11.

В интервале t1-t2 за счет тока индуктивности 5 (L1) происходит перезаряд емкостей С2, С4, паразитных емкостей диодов VD5-VD8, аналогично тому, как это происходило в интервале t3-t4.In the interval t1-t2, due to the current of the inductor 5 (L1), the capacitances C2, C4, parasitic capacitances of the diodes VD5-VD8 are recharged, similarly to how it happened in the interval t3-t4.

В момент t2 снова начинается колебательный процесс в контуре L2C1, открываются ключи 2 и 3 (момент открытия ключей может быть позже t2, но раньше t5, при этом ключи открываются при нулевом напряжении и потери на включение отсутствуют) и процесс повторяется.At the moment t2, the oscillatory process starts again in the L2C1 circuit, switches 2 and 3 open (the moment of opening the keys may be later than t2, but earlier than t5, while the switches open at zero voltage and there are no turn-on losses) and the process is repeated.

Поскольку интервал t2-t3 (t4-t1) определяется индуктивностью L2 и емкостью С1 и не зависит от внешних факторов, а интервал t1-t2 (t3-t4) определяется 5 (L1), С2, С4, и момент открытия ключей может быть выбран произвольно в интервале t2-t5 (t4-t8) возможно жестко задать моменты переключения такими, чтобы потери на переключение были минимальными. Таким образом, удается значительно уменьшить потери на переключение ключей.Since the interval t2-t3 (t4-t1) is determined by the inductance L2 and capacitance C1 and does not depend on external factors, and the interval t1-t2 (t3-t4) is determined by 5 (L1), C2, C4, and the moment of opening the keys can be selected arbitrarily in the interval t2-t5 (t4-t8) it is possible to rigidly set the switching times so that the switching losses are minimal. Thus, it is possible to significantly reduce the switching losses.

Полевые транзисторы, в отличие от диодов, требуют подачи управляющего напряжения для открытия. В рассматриваемом преобразователе на интервале времени t4-t1 ток протекает через ключи 1 и 4 и диоды VD5, VD8, а на интервале t2-t3 - через ключи 2 и 3 и диоды VD6, VD7. Данная особенность позволяет при использовании в выпрямителе 8 полевых транзисторов, подавать на их затворы управляющее напряжение одновременно с включением соответствующих ключей 1-4, то есть не требуется контроль тока через транзисторы и отдельная схема управления выпрямителем. В случае, если временные характеристики ключей 1-4 и транзисторов выпрямителя 8 существенно отличаются, управляющие сигналы на транзисторы выпрямителя 8 могут подаваться с небольшим опережением или задержкой относительно ключей 1-4, но это опережение или задержка постоянная, не зависит от напряжения и нагрузки, и может быть реализована в той же схеме формирования импульсов 10, что и сигналы управления ключами 1-4.FETs, unlike diodes, require a control voltage to open. In the converter under consideration, in the time interval t4-t1, the current flows through switches 1 and 4 and diodes VD5, VD8, and in the interval t2-t3 - through switches 2 and 3 and diodes VD6, VD7. This feature allows, when using 8 field-effect transistors in a rectifier, to apply a control voltage to their gates simultaneously with turning on the corresponding keys 1-4, that is, current control through transistors and a separate rectifier control circuit are not required. If the timing characteristics of switches 1-4 and rectifier transistors 8 differ significantly, the control signals to the rectifier transistors 8 can be applied with a slight lead or delay relative to switches 1-4, but this lead or delay is constant, does not depend on voltage and load, and can be implemented in the same pulse generation circuit 10 as the key control signals 1-4.

Пример. Резонансный мостовой преобразователь может быть реализован на микросхеме UCC28084, использованной в качестве схема формирования импульсов. В качестве ключей 1-4 использованы полевые транзисторы IPB107N20, Выпрямитель выполнен на полевых транзисторах IRFS3004. В качестве L2 использована индуктивность рассеяния трансформатора Т, входное напряжение 145 В, выходное напряжение 29 В, мощность 1 кВт. Частота преобразования 100 кГц, управляющие сигналы на транзисторы К1-К4 и на соответствующие транзисторы выпрямителя подаются одновременно.Example. The resonant bridge converter can be implemented on a UCC28084 chip used as a pulse shaping circuit. Field-effect transistors IPB107N20 are used as keys 1-4. The rectifier is made on field-effect transistors IRFS3004. The leakage inductance of the transformer T was used as L2, the input voltage was 145 V, the output voltage was 29 V, and the power was 1 kW. The conversion frequency is 100 kHz, the control signals to the transistors K1-K4 and to the corresponding rectifier transistors are applied simultaneously.

Эксперименты показали, что реализация заявляемого устройства позволяет достигать значений КПД преобразователя напряжения свыше 97%.Experiments have shown that the implementation of the proposed device allows you to achieve values of the efficiency of the voltage converter over 97%.

Claims

1. Resonant bridge voltage converter, including a bridge of four key elements with reverse diodes connected to a power source, a transformer, a rectifier connected between the secondary winding of the transformer and the load, a capacitance connected in parallel with the rectifier at the output of the converter, a series oscillatory circuit containing a second capacitance , connected in series with the primary winding of the transformer, and having a pulse shaping circuit connected to the key elements, characterized in that at the input of the converter, the input capacitance is connected in parallel to the power source, the inductance is included in the diagonal of the bridge, and the key elements on opposite sides of the inductance in the diagonal of the bridge include capacitances forming a parallel oscillatory circuit with an inductance included in the diagonal of the bridge, and the elements of the parallel oscillatory circuit and key elements are selected in such a way that the time interval when all the key elements the cops are closed, less than or equal to the half-period of natural oscillations of the parallel circuit.

2. The converter according to claim 1, characterized in that the rectifier is made on controlled keys on field-effect transistors

3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the leakage inductance of the transformer is used as the inductance of the series oscillatory circuit.