квазирезонансный высокочастотный преобразователь напряжения

Формула изобретения

Квазирезонансный высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий ключевой элемент в цепи из последовательно соединенной резонансной катушки индуктивности, один вывод которой присоединен к выходу ключевого элемента, а другой - к потенциальной обкладке конденсатора резонансного контура, присоединенной к катоду обратно смещенного рекуперативного диода и выводу катушки индуктивности выходного фильтра, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов таким образом, что их общей точкой являются истоки, а управляющий сигнал подается между общей точкой и соединенными между собой затворами.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных источниках питания с бестрансформаторным выходом.

Известны устройства аналогичного назначения - преобразователи напряжения (ПН) с прямоугольной формой напряжения и тока [Дьяконов В.П., Максимчук А.А. и др. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН - Р. 2002. с.512., Switched-Mode Power Supply Design Manual VeriBest, inc. The EDA Systems Company] к недостаткам которых следует отнести: невозможность улучшения энергетических характеристик без повышения быстродействия ключевых элементов (КЭ), уменьшения падения напряжения на КЭ в открытом состоянии. Такая тенденция усиливает влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы, т.е. с увеличением скорости изменения напряжения на коллекторе (стоке) КЭ возрастает амплитуда сигнала на высших гармониках, частоты которых могут совпадать с собственными частотами резонансных контуров, образованных паразитными элементами схемы, что приводит к увеличению высокочастотных помех, наложенных на выходное напряжение преобразователя.

Из известных устройств наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является квазирезонансный ПН [R.W.Erickson Fundamentals of Power Electronics First Edition New York: Chapman and Hall, May 1997. 791 pages, 929 line illustrations.] и принятый за прототип. Этот ПН содержит КЭ, реализованный на одном силовом полевом транзисторе, включенном последовательно между первичным источником электроэнергии (ПИЭ) и цепью, содержащей последовательно включенные: проходной диод, резонансный контур (РК), содержащий резонансную катушку индуктивности Lp, один из выводов которой подключен к катоду проходного диода, а другой вывод к резонансному конденсатору Ср, параллельно которому включен обратносмещенный рекуперативный диод, к катоду которого подключен выходной LфСф-фильтр.

Основным недостатком указанного прототипа является наличие в цепи КЭ проходного диода, и как следствие увеличение потерь мощности и ограничение частоты коммутации. Наличие проходного диода обосновано тем что, он предотвращает обратный ток через паразитный диод силового МОП-транзистора, который может быть вызван продолжающимся резонансным процессом. Тем самым предотвращается возврат энергии, накопленной в резонансном контуре обратно в ПИЭ. Общим недостатком мощных быстродействующих диодов является относительно большее время обратного восстановления, в течение которого он работает как конденсатор, а также существенное прямое падение напряжение нелинейно зависящее от тока и температуры.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение потерь в КЭ при одновременном повышении частоты коммутации, за счет чего повышается КПД и увеличивается удельная мощность.

Поставленная задача решается тем, что квазирезонансный высокочастотный преобразователь напряжения (КВПН) содержит ключевой элемент в цепи из последовательно соединенной резонансной катушки индуктивности, один вывод которой присоединен к выходу ключевого элемента, а другой - к потенциальной обкладке конденсатора резонансного контура, присоединенной к катоду обратносмещенного рекуперативного диода и выводу катушки индуктивности выходного фильтра, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя. Вход преобразователя напряжения подключен к первичному источнику электроэнергии (ПИЭ), а выход - к сопротивлению нагрузки (Rн). Новым в устройстве является то, что ключевой элемент выполнен в виде двух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов таким образом, что их общей точкой являются истоки, а управляющий сигнал подается между общей точкой и соединенными между собой затворами.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства.

На фиг.2 - временные диаграммы работы заявляемого устройства.

Заявляемое устройство состоит из блока управления 1, выход которого подключен ко входу ключевого элемента 2, состоящего из двух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов VT1, VT2 таким образом, что паразитные диоды VD1, VD2 оказываются также встречновключенными, а их аноды соединены с общей точкой. Катод диода VD1 присоединен к потенциальной шине первичного источника электроэнергии 3, катод диода VD2 подключен к одному из выводов резонансной катушки индуктивности Lp 4, другой вывод которой присоединен к потенциальной обкладке резонансного конденсатора Ср 5. Параллельно Ср 5 включен обратносмещенный рекуперативный диод 6, к катоду которого подключен один из выводов катушки индуктивности выходного фильтра Lф 7, а к другому выводу Lф 7 - потенциальная обкладка конденсатора выходного фильтра Сф 8. Параллельно конденсатору Сф 8 подключено сопротивление нагрузки Rн 9. Анод рекуперативного диода 6 и другие обкладки конденсаторов резонансного контура Ср 5 и выходного фильтра Сф 8 объединены и присоединены к общей шине преобразователя.

Первоначально транзисторы VT1, VT2 закрыты. Выходной ток течет за счет энергии, запасенной в катушке индуктивности выходного фильтра 7. В некоторый момент времени, определяемый устройством управления 1, КЭ 2 открывается. Колебательный контур, образованный резонансной катушкой индуктивности Lp 4 и конденсатором Ср 5, начинает получать энергию от ПИЭ 3. Заряд конденсатора Ср 5 и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура LpCp 4,5. Одновременно ток в катушке индуктивности Lp 4 также будет изменяться по синусоидальному закону - вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда этот ток уменьшиться до нуля КЭ 2 запирается. При этом встречно-последовательно включенные диоды VD1, VD2 предотвращают обратный ток, который мог быть вызван продолжающимся резонансным процессом.

Когда ток в катушке индуктивности Lp 4 становится равным нулю, выходной ток течет через катушку индуктивности выходного фильтра Lф 7 и конденсатор Ср 5, который быстро разряжается. Как только он разрядится до нуля, открывается диод 6. На этом один резонансный цикл заканчивается.

При поступлении сигнала на затворы силовых МОП-транзисторов происходит их отпирание, где скважность и частота коммутации определяется известным законом управления [L. К. Wong, Frank H. Leung, Peter К. S. Tarn. A Simple Large-Signal Nonlinear Modeling Approach for Fast Simulation of Zero-Current-Switch Quasi-Resonant Converters. IEEE Trans. Power Electron., vol.12, №. 3, p.437-442, may 1997, J. Abu-Qahouq and I. Batarseh, Unified Steady-State Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters, IEEE Trans. Power Electron., vol.17, №. 5, pp.684-691, sep. 2002] меандр на выходе блока управления 1 Uynp(t) на фиг.2, ток в Lp 4 I(t), a напряжение на Ср 5 U(t).

Снижение потерь в заявляемом КВПН, в отличие от прототипа, у которого КЭ выполнен на одном силовом транзисторе и включенном с ним последовательно проходном диоде, достигается выполнением КЭ в виде дух встречно-последовательно соединенных силовых МОП-транзисторов, имеющих, по сравнению с проходным диодом, как большое быстродействие, так и меньшее падение напряжения. В этом случае требования к быстродействию КЭ могут быть понижены, что позволяет применить пару МОП-транзисторов с минимальным сопротивлением открытого канала при допустимом напряжении сток-исток, за счет чего снижаются потери и достигается высокий КПД при высокой удельной мощности.