RU2821421C1 - Resonant voltage converter - Google Patents
Resonant voltage converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821421C1 RU2821421C1 RU2023130918A RU2023130918A RU2821421C1 RU 2821421 C1 RU2821421 C1 RU 2821421C1 RU 2023130918 A RU2023130918 A RU 2023130918A RU 2023130918 A RU2023130918 A RU 2023130918A RU 2821421 C1 RU2821421 C1 RU 2821421C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistors
- converter
- resonant
- capacitor
- electromagnetic element
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 10
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003079 width control Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания различного назначения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, converter technology, and can be used in the design of secondary power supplies for various purposes.
Известны и широко применяются различные традиционные транзисторные однотактные и двухтактные преобразователи напряжения с коммутируемым напряжением прямоугольной формы [1,2]. Существенными недостатками таких преобразователей являются большие объем и масса и низкий КПД из-за больших коммутационных потерь мощности при переключении транзисторов.Various traditional transistor single-cycle and push-pull voltage converters with rectangular switched voltage are known and widely used [1,2]. Significant disadvantages of such converters are their large volume and weight and low efficiency due to large switching power losses when switching transistors.
Известны также резонансные преобразователи напряжения, содержащие в силовых цепях, кроме ключевых транзисторов, колебательный (резонансный) контур, состоящий из резонансных конденсатора и дросселя. Резонансный контур обеспечивает практически синусоидальную форму кривой тока в силовых цепях при прямоугольной форме напряжения на выходе ключевых элементов. Вследствие этого, обеспечивается существенное уменьшение потерь мощности в силовых транзисторах при их переключении, повышение КПД преобразователя и уменьшение объема и массы его элементов. Различные схемы однотактных и двухтактных (полумостовых и мостовых) резонансных преобразователей напряжения приведены в [3-9]. Недостатками этих преобразователей являются большое количество элементов и, несмотря на наличие резонансного контура, все еще значительные потери мощности в ключевых транзисторах и низкий КПД при высокой частоте их переключения, а также большие объем и масса элементов при низкой частоте преобразования.Resonant voltage converters are also known, containing in power circuits, in addition to key transistors, an oscillatory (resonant) circuit consisting of a resonant capacitor and inductor. The resonant circuit provides an almost sinusoidal shape of the current curve in power circuits with a rectangular voltage shape at the output of key elements. As a result, a significant reduction in power losses in power transistors when switching is ensured, an increase in the efficiency of the converter and a reduction in the volume and weight of its elements. Various circuits of single-cycle and push-pull (half-bridge and bridge) resonant voltage converters are given in [3-9]. The disadvantages of these converters are a large number of elements and, despite the presence of a resonant circuit, still significant power losses in the key transistors and low efficiency at high switching frequencies, as well as large volume and weight of elements at low conversion frequencies.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является однотактный преобразователь напряжения, содержащий ключевой транзистор, обратный диод, трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр [2, с. 64-68].The closest to the proposed technical solution, which can be taken as a prototype, is a single-ended voltage converter containing a key transistor, a freewheeling diode, a transformer, a rectifier and a smoothing filter [2, p. 64-68].
В предлагаемом резонансном преобразователе напряжения обеспечивается уменьшение потерь мощности на переключение транзисторов и повышение КПД, а также снижение объема и массы элементов за счет того, что преобразование напряжения, его выпрямление и фильтрация производятся при высокой частоте - частоте собственных колебаний контура, а переключение транзисторов и диодов на более низкой частоте - частоте переключения транзисторов, которая в несколько раз ниже частоты собственных колебаний контура.The proposed resonant voltage converter ensures a reduction in power losses for switching transistors and an increase in efficiency, as well as a reduction in the volume and weight of elements due to the fact that voltage conversion, rectification and filtering are carried out at a high frequency - the frequency of natural oscillations of the circuit, and switching of transistors and diodes at a lower frequency - the switching frequency of transistors, which is several times lower than the natural oscillation frequency of the circuit.
Для достижения технического результата в предлагаемом преобразователе напряжения работают два колебательных контура, состоящие из резонансного конденсатора, электромагнитного элемента с двумя первичными и одной вторичной обмотками, в котором совмещены функции резонансного дросселя и трансформатора, и двух ключевых транзисторов с обратными диодами. В этих контурах происходит свободный затухающий процесс, в течение которых энергия источника питания передается в нагрузку. Отпирание и закрывание транзисторов осуществляется при нулевых значениях тока контуров и очень малых потерях мощности в транзисторах при их переключении.To achieve the technical result, the proposed voltage converter operates two oscillatory circuits, consisting of a resonant capacitor, an electromagnetic element with two primary and one secondary windings, which combines the functions of a resonant inductor and transformer, and two key transistors with freewheeling diodes. A free damping process occurs in these circuits, during which the energy of the power source is transferred to the load. Unlocking and closing of transistors is carried out at zero current values of the circuits and very small power losses in the transistors when they are switched.
В материалах заявки приняты следующие обозначения:The following designations are used in the application materials:
1 - резонансный конденсатор; 2 - электромагнитный элемент; 3, 4 - первая и вторая первичные обмотки электромагнитного элемента; 5 - вторичная обмотка электромагнитного элемента; 6, 7 - первый и второй полевые или МОП - транзисторы; 8, 9 - первый и второй обратные диоды; 10 - выпрямитель; 11 - сглаживающий фильтр.1 - resonant capacitor; 2 - electromagnetic element; 3, 4 - first and second primary windings of the electromagnetic element; 5 - secondary winding of the electromagnetic element; 6, 7 - first and second field-effect or MOS transistors; 8, 9 - first and second reverse diodes; 10 - rectifier; 11 - smoothing filter.
Un - напряжение источника питания;U n - power source voltage;
Uн, Iн - напряжение и ток нагрузки;U n , I n - load voltage and current;
Uc - напряжение на конденсаторе;U c - voltage on the capacitor;
i1, i2 - ток первого и второго колебательных контуров;i 1 , i 2 - current of the first and second oscillatory circuits;
u1, u2 - напряжение первого и второго отпирающих импульсов;u 1 , u 2 - voltage of the first and second unlocking pulses;
τ, F=1/τ - период и частота собственных колебаний контуров;τ, F=1/τ - period and frequency of natural oscillations of the circuits;
t1, t2 - длительность первого и второго отпирающих импульсов;t 1 , t 2 - duration of the first and second unlocking pulses;
Δt1, Δt2 - длительность временных интервалов между отпирающими импульсами;Δt 1 , Δt 2 - duration of time intervals between unlocking pulses;
Т=(t1+Δt1)+(t2+Δt2) - период переключений транзисторов;T=(t 1 +Δt 1 )+(t 2 +Δt 2 ) - switching period of transistors;
ƒ - частота переключений транзисторов.ƒ - switching frequency of transistors.
На фиг. 1 представлена структурная схема силовой части резонансного преобразователя напряжения. Преобразователь содержит два колебательных затухающих контура, первый из которых состоит из последовательно соединенных резонансного конденсатора 1, первой первичной обмотки 3 электромагнитного элемента 2 и первого ключевого полевого или МОП - транзистора 6 с обратным диодом 8, а второй контур состоит из конденсатора 1, второй первичной обмотки 4 электромагнитного элемента 2 и второго транзистора 7 с обратным диодом 9. Электромагнитный элемент 2 имеет вторичную обмотку 5 и совмещает функции резонансного дросселя и трансформатора [1, с. 162, 163]. К выводам вторичной обмотки 5 подключены последовательно соединенные выпрямитель 10 и сглаживающий фильтр 11. В состав преобразователя входит устройство управления (на схеме фиг. 1 не показано).In fig. Figure 1 shows a block diagram of the power part of the resonant voltage converter. The converter contains two oscillatory damped circuits, the first of which consists of a series-connected resonant capacitor 1, the first
Первый вывод конденсатора 1 подключен к положительному зажиму источника питания, второй вывод конденсатора через первичную обмотку 3 электромагнитного элемента 2 подключен к стоку транзистора 6, исток которого подключен к отрицательному зажиму источника питания.The first terminal of the capacitor 1 is connected to the positive terminal of the power source, the second terminal of the capacitor is connected through the
К первому выводу конденсатора 1 через первичную обмотку 4 электромагнитного элемента 2 подключен сток транзистора 7, исток которого подключен к второму выводу конденсатора 1.The drain of transistor 7 is connected to the first terminal of capacitor 1 through the primary winding 4 of the
Выпрямитель 10 может быть выполнен по любой однофазной схеме, в частности, двухполупериодной или мостовой. В качестве сглаживающего фильтра могут быть использованы С-фильтр или LC-фильтр.The
Диаграммы напряжения на конденсаторе 1 uc и токов контуров i1, i2, а также напряжений отпирающих импульсов u1, u2 приведены на фиг. 2.Diagrams of the voltage on the capacitor 1 u c and the currents of the circuits i 1 , i 2 , as well as the voltages of the unlocking pulses u 1 , u 2 are shown in Fig. 2.
Предлагаемый резонансный преобразователь напряжения работает следующим образом.The proposed resonant voltage converter works as follows.
Первый и второй контуры работают поочередно, каждый в течение половины периода Т.The first and second circuits operate alternately, each for half the period T.
После подачи отпирающих импульсов u1 на транзистор 6 в первом контуре начинается переходной колебательный затухающий процесс, состоящий из нескольких колебаний. Форма этих колебаний близка к синусоиде. Период собственных колебаний контура равен τ. Длительность всего переходного процесса в контуре равна длительности отпирающих импульсов t1 и t2. После закрывания транзистора 6, через интервал времени Δt1 отпирающий импульс u2 подается на транзистор 7 второго контура и нем происходит аналогичный переходной процесс.After supplying the unlocking pulses u 1 to the
Частота F и период собственных колебаний контура τ, а также длительность колебательного процесса от его начала до затухания t1, t2 и число собственных колебаний контура зависят от параметров его элементов - емкости конденсатора 1 и индуктивности первичных обмоток 3, 4 электромагнитного элемента 2, которые выбираются при проектировании и расчете преобразователя. Практически целесообразно в течение переходного процесса иметь 3-5 собственных колебаний. Расчетное фиксированное значение длительности отпирающих импульсов t1, t2 должно быть не меньше длительности переходного процесса в контуре. Указанную постоянную длительность импульсов обеспечивает устройство управления преобразователя при всех режимах его работы.The frequency F and the period of natural oscillations of the circuit τ, as well as the duration of the oscillatory process from its beginning to attenuation t 1 , t 2 and the number of natural oscillations of the circuit depend on the parameters of its elements - the capacitance of the capacitor 1 and the inductance of the
Регулирование и стабилизация выходного напряжения преобразователя осуществляются системой автоматического регулирования устройства управления изменением временных интервалов между импульсами Δt1, Δt2. Минимальные значения этих интервалов должны быть достаточными для восстановления запирающих свойств транзисторов.Regulation and stabilization of the output voltage of the converter is carried out by an automatic control system of the control device for changing the time intervals between pulses Δt 1 , Δt 2 . The minimum values of these intervals should be sufficient to restore the blocking properties of the transistors.
При таком способе регулирования изменяются период T и частота ƒ переключений транзисторов. При работе преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения при минимальном напряжении источника питания Un и максимальном токе нагрузки Iн указанные интервалы имеют минимальное значение, а при максимальном Un и минимальном Iн - максимальное.With this control method, the period T and the switching frequency ƒ of the transistors change. When the converter operates in output voltage stabilization mode at a minimum power source voltage U n and a maximum load current I n, the indicated intervals have a minimum value, and at a maximum U n and a minimum I n - a maximum.
При открытом состоянии транзисторов 6 и 7 в течение времени отпирающих импульсов t1 и t2 энергия, потребляемая преобразователем из источника питания, поступает в нагрузку. В течение времени t1 ток i1 протекает по первому колебательному контуру через конденсатор 1, первичную обмотку 3 электромагнитного элемента 2, трансформируется и через вторичную обмотку 5 электромагнитного элемента 2, выпрямитель 10 и сглаживающий фильтр 11 поступает в нагрузку. При положительной полуволне ток контура i1 замыкается через транзистор 6, а при отрицательной полуволне - через обратный диод 8. В течение времени t2 ток i2 протекает аналогично по второму колебательному контуру. В конце всего переходного процесса в течение интервалов времени Δt1, Δt2 оба транзистора закрыты и ток обоих контуров равен нулю.When
Из изложенного следует, что все элементы преобразователя, кроме транзисторов и обратных диодов, работают на высокой частоте (частоте собственных колебаний контуров), вследствие чего эти элементы имеют улучшенные объемно - массовые характеристики. Коммутация транзисторов и диодов происходит на более низкой частоте (частоте их переключения) в начале и конце переходного процесса в каждом колебательном контуре на временных интервалах между отпирающими импульсами Δt1, Δt2 при нулевом токе контура с минимальными потерями мощности при переключении. Это обеспечивает уменьшение объема и массы элементов предлагаемого преобразователя и повышение его КПД по сравнению с известными преобразователями.From the foregoing it follows that all elements of the converter, except transistors and freewheeling diodes, operate at a high frequency (the frequency of natural oscillations of the circuits), as a result of which these elements have improved volumetric and mass characteristics. Switching of transistors and diodes occurs at a lower frequency (their switching frequency) at the beginning and end of the transition process in each oscillatory circuit at time intervals between unlocking pulses Δt 1 , Δt 2 at zero circuit current with minimal power losses during switching. This ensures a reduction in the volume and weight of the elements of the proposed converter and an increase in its efficiency compared to known converters.
Изобретение является новым, т.к. в доступных источниках информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью существенных признаков.The invention is new because no analogues with a similar set of essential features have been identified in the available sources of information.
Новым в изобретении является применение в резонансном преобразователе напряжения двух колебательных затухающих контуров, работающих и передающих в нагрузку энергию в течение всего переходного процесса в контурах, а также замена резонансного дросселя и трансформатора электромагнитным элементом, в котором совмещены их функции.What is new in the invention is the use in a resonant voltage converter of two oscillatory damped circuits that operate and transmit energy to the load during the entire transient process in the circuits, as well as the replacement of the resonant inductor and transformer with an electromagnetic element in which their functions are combined.
На основании изложенного может быть сделан вывод, что предлагаемое устройство обеспечивает положительный эффект.Based on the foregoing, it can be concluded that the proposed device provides a positive effect.
Литература:Literature:
1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 81-84, 150-163.1. Moeen B.C. Stabilized transistor converters. - M.: Energoatomizdat, 1986, p. 81-84, 150-163.
2. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989, с. 64-77.2. Polikarpov A.G., Sergienko E.F. Single-cycle voltage converters in electronic power supply devices. - M.: Radio and communication, 1989, p. 64-77.
3. Макаров В.В. Импульсные ИВЭП с промежуточной импульсной формой напряжения. - ЭТВА / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1985, вып. 16, с. 44-51.3. Makarov V.V. Pulse IVEP with an intermediate pulse voltage form. - ETVA / Ed. Yu.I. Koneva. - M.: Radio and communication, 1985, issue. 16, p. 44-51.
4. Ворох Д.А., Махов А.И. Резонансный преобразователь с широтно - импульсной регулировкой выходного напряжения. // Вестник Самарского университета, 2016. Т. 15, N3, с. 143-152.4. Vorokh D.A., Makhov A.I. Resonant converter with pulse-width control of output voltage. // Bulletin of Samara University, 2016. T. 15, N3, p. 143-152.
5. Разработка резонансного полумостового LLC- преобразователя. Hong Huang. TI Literature Numeer: SL U263. Переведено для сайта http: valvolodin.ru.5. Development of a resonant half-bridge LLC converter. Hong Huang. TI Literature Numeer: SL U263. Translated for the website http: valvolodin.ru.
6. Патент РФ 2110881.6. RF patent 2110881.
7. Патент РФ 2459342.7. RF patent 2459342.
8. Патент РФ 2186452.8. RF patent 2186452.
9. Патент США 4263642.9. US Patent 4263642.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2821421C1 true RU2821421C1 (en) | 2024-06-24 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8009448B2 (en) * | 2008-09-17 | 2011-08-30 | Delta Electronics, Inc. | Forward-flyback converter with active-clamp circuit |
US8374000B2 (en) * | 2010-11-05 | 2013-02-12 | National Cheng Kung University | Interleaved flyback converter device with leakage energy recycling |
RU148287U1 (en) * | 2014-07-24 | 2014-11-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | QUASI-RESONANT BRIDGE CONVERTER |
RU2581600C1 (en) * | 2014-12-23 | 2016-04-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Two-stroke flyback dc-to-dc converter |
RU2672260C2 (en) * | 2014-02-27 | 2018-11-13 | Денмаркс Текниске Университет | On and off controlled resonant dc-dc power converter |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8009448B2 (en) * | 2008-09-17 | 2011-08-30 | Delta Electronics, Inc. | Forward-flyback converter with active-clamp circuit |
US8374000B2 (en) * | 2010-11-05 | 2013-02-12 | National Cheng Kung University | Interleaved flyback converter device with leakage energy recycling |
RU2672260C2 (en) * | 2014-02-27 | 2018-11-13 | Денмаркс Текниске Университет | On and off controlled resonant dc-dc power converter |
RU148287U1 (en) * | 2014-07-24 | 2014-11-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | QUASI-RESONANT BRIDGE CONVERTER |
RU2581600C1 (en) * | 2014-12-23 | 2016-04-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Two-stroke flyback dc-to-dc converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Arntzen et al. | Switched-capacitor DC/DC converters with resonant gate drive | |
Law et al. | Design and analysis of switched-capacitor-based step-up resonant converters | |
EP1609235B1 (en) | Phase-shifted resonant converter having reduced output ripple | |
JP4844674B2 (en) | Switching power supply | |
Erickson et al. | Resonant conversion | |
JP6049861B2 (en) | DC / DC converter | |
Choi et al. | Design of half-bridge piezo-transformer converters in the AC adapter applications | |
US20110299301A1 (en) | Fixed-frequency llc resonant power regulator | |
JP2011160521A (en) | Switching power supply apparatus | |
WO1995033300A1 (en) | Self-oscillating dc to dc converter | |
IT201900006719A1 (en) | ELECTRONIC CONVERTER | |
RU2335841C1 (en) | High-voltage dc voltage converter with filter-compensating circuit and method of controlling its output power | |
Amin et al. | A transformerless dual active half-bridge DC-DC converter for point-of-load power supplies | |
Huber et al. | 1.8-MHz, 48-V resonant VRM: Analysis, design, and performance evaluation | |
Kazimierczuk et al. | Frequency-controlled series-resonant converter with synchronous rectifier | |
Jin et al. | Integrated magnetic self-driven ZVS nonisolated full-bridge converter | |
US20200395839A1 (en) | Soft-switching, high performance single-phase ac-dc converter | |
RU2821421C1 (en) | Resonant voltage converter | |
Mohamed et al. | Design and analysis of full bridge LLC resonant converter for wireless power transfer applications | |
CN112467989B (en) | Quasi-single-stage high-power-factor alternating current-direct current converter | |
Kazimierczuk et al. | Class E resonant rectifier with a series capacitor | |
RU2709453C2 (en) | Quasi-resonance single-cycle forward-path voltage converter with switching at zero current | |
Sasmal et al. | A new current source based resonant tank for switch stress reduction in DC-DC converter | |
RU2821803C1 (en) | Shuvaev's multiphase resonant voltage converter | |
RU2327274C1 (en) | Complete bridge converter of constant voltage with soft switching |