FR2689704A1 - Zero voltage, zero current, resonant converter - Google Patents
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Abstract
Description
Cette invention se rapporte aux convertisseurs de courant continu en courant continu et plus spécialement aux convertisseurs auto-oscillants de courant continu en courant continu. This invention relates to direct current to direct current converters and more particularly to self-oscillating direct current to direct current converters.
Il existe de nombreux convertisseurs qui c-hangent une grandeur de tension continue en une autre. Les convertisseurs classiques comme les convertisseurs directs et les convertisseurs indirects sont bien décrits dans la technique antérieure. De nombreux textes comme celui de George Chryssis "High-Frequency Switching Power Supplies : Theory and
Design", McGraw Hill Book Co, peuvent expliquer le fonctionnement de convertisseurs tels que ceux-ci.There are many converters which swap one DC voltage quantity over another. Conventional converters such as direct converters and indirect converters are well described in the prior art. Many texts like that of George Chryssis "High-Frequency Switching Power Supplies: Theory and
Design ", McGraw Hill Book Co, can explain how converters like these work.
Les convertisseurs classiques utilisent tous un moyen de commutation forcée pour commander la tension et le courant pendant le processus de régulation et de transfert de la puissance. Ce moyen de commutation forcée de régulation provoque deux types de difficultés. La première est celle des pertes associées à la commutation forcée. Comme il existe une durée finie associée à la fermeture et à l'ouverture d'un élément d'un interrupteur, le courant traversant l'interrupteur et la tension aux bornes de l'interrupteur se chevauchent pendant les changements d'état de l'interrupteur provoquant une perte appelée perte de commutation. Plus rapide est la commutation, plus faible est la perte de commutation. Le second type de difficulté est le bruit engendré par le processus de commutation forcée. Ce bruit est provoqué principalement par la vitesse de changement de la tension dV/dT sur l'interrupteur à haute tension. Ce changement de la tension, couplé avec la capacité parasitaire des enroulements primaire - secondaire du transformateur fait qu'un courant de mode commun circule à travers ce chemin. Conventional converters all use forced switching means to control the voltage and current during the regulation and power transfer process. This means of forced regulation switching causes two types of difficulty. The first is that of losses associated with forced switching. As there is a finite time associated with the closing and opening of a switch element, the current flowing through the switch and the voltage across the switch overlap during changes of state. switch causing a loss called switching loss. The faster the switching, the lower the switching loss. The second type of difficulty is the noise generated by the forced switching process. This noise is mainly caused by the rate of change of the voltage dV / dT on the high voltage switch. This change in voltage, coupled with the parasitic capacity of the primary - secondary windings of the transformer causes a common mode current to flow through this path.
Pour aider à contrôler ce bruit à l'ouverture un amortisseur à ligne droite de charge est utilisé typiquement. Cette manière de faire nécessite que la surface du tableau de montage soit suffisante et entraîne aussi des pertes d'énergie et des dépenses d'argent. En outre, cette démarche apporte une aide à l'ouverture seulement et la difficulté du bruit engendré subsiste encore à la fermeture. Finalement la question du rendement associée à la technique classique est la difficulté la plus grave. La technique courante fonctionne avec un rendement de 73 % environ, ce qui est la cause de pertes significatives qui doivent être absorbées par le bloc d'alimentation en puissance, ce qui diminue la densité de l'alimentation en puissance.To help control this noise on opening, a straight-line shock absorber is typically used. This way of doing things requires that the surface of the mounting board is sufficient and also leads to energy losses and expenditure of money. In addition, this approach provides assistance with opening only and the difficulty of the noise generated still remains at closing. Finally, the question of yield associated with the classical technique is the most serious difficulty. The current technique operates with a yield of approximately 73%, which is the cause of significant losses which must be absorbed by the power supply unit, which decreases the density of the power supply.
Deux types de la nouvelle génération de la technique classique, visibles sur les figures lA et lB, s'attaquent aux difficultés associées à la technique antérieure décrite ci-dessus. Le premier type est l'alimentation à la résonance en série avec la commutation à courant nul. Une telle alimentation réduit le bruit créé par la commutation à un point très proche du courant nul (courant magnétisant) et élimine environ la moitié des pertes de commutation sans la nécessité de circuits de mise en forme à ligne droite de charge. Toutefois, il existe encore la perte associée à la tension de commutation au moment de la fermeture de l'interrupteur. Pendant le changement d'état de l'interrupteur, il peut exister aux bornes de ce dernier une tension significative qui charge essentiellement la capacité parasitaire de l'interrupteur et qui se décharge finalement au moment de la fermeture de l'interrupteur. Un transistor à effet de champ, de puissance, typique, ayant une capacité du drain par rapport à la source de 120 pf, fonctionnant à 100khz, avec une tension de 700 volts à ses bornes peut avoir une perte parasitaire de 2,98 watts approximativement. La cadence de changement du courant est aussi basse que le courant (dI/dT) est sinusoïdal. Le problème principal avec le type de convertisseur visible sur la figure 1A réside dans la relation du courant efficace par rapport à la ligne. Les courants de pointe circulant dans les interrupteurs, transformateurs et diodes de sortie à la résonance sont à leur valeur la plus basse pendant le fonctionnement à faible niveau de la ligne quand le rapport cyclique est maximum. Le rendement à ce moment peut être dans les faibles valeurs de quatre-vingt. Toutefois quand la tension d'entrée est élevée, le courant efficace circulant dans les éléments d'alimentation s'élève rapidement faisant que le courant efficace augmente d'une valeur aussi grande que 1,7. Ceci fait finalement que le rendement tombe jusqu'aux faibles valeurs des soixante-dix auxquelles l'alimentation initiale à commutation forcée fonctionne. Il existe des moyens pour surmonter ce phénomène mais ceux-ci nécessiteraient l'addition d'un nouveau convertisseur en avant des circuits autooscillants pour la stabilisation de la tension d'entrée et, ainsi, l'optimisation du rendement. Le coût supplémentaire impliqué et la surface supplémentaire nécessaire sur le tableau de montage font que cette démarche n'est acceptable que dans les domaines à puissance élevée. Le fonctionnement de ce type de convertisseur est décrit, par exemple, dans le brevet américain n" 4.415.959 au nom de Vinciarelli. Two types of the new generation of the classical technique, visible in FIGS. 1A and 1B, tackle the difficulties associated with the prior art described above. The first type is the resonant power supply in series with zero current switching. Such a power supply reduces the noise created by switching to a point very close to zero current (magnetizing current) and eliminates about half of the switching losses without the need for straight load formatting circuits. However, there is still the loss associated with the switching voltage when the switch closes. During the change of state of the switch, there may exist at the terminals of the latter a significant voltage which essentially charges the parasitic capacity of the switch and which finally discharges when the switch is closed. A typical field effect transistor with a capacity of the drain relative to the source of 120 pf, operating at 100khz, with a voltage of 700 volts at its terminals can have a parasitic loss of approximately 2.98 watts. . The rate of change of the current is as low as the current (dI / dT) is sinusoidal. The main problem with the type of converter visible in FIG. 1A lies in the relation of the effective current with respect to the line. The peak currents flowing in the resonance switches, transformers and output diodes are at their lowest value during operation at low line level when the duty cycle is maximum. The yield at this time can be in the low values of eighty. However, when the input voltage is high, the effective current flowing in the supply elements rises rapidly, causing the effective current to increase by as much as 1.7. This ultimately causes the efficiency to drop to the low values of the seventy at which the initial forced switching power supply operates. There are means to overcome this phenomenon, but these would require the addition of a new converter in front of the self-oscillating circuits for the stabilization of the input voltage and, thus, the optimization of the efficiency. The additional cost involved and the additional surface area required on the assembly panel make this approach acceptable only in high power areas. The operation of this type of converter is described, for example, in US Patent No. 4,415,959 in the name of Vinciarelli.
Une solution plus récente à ce problème des courants efficaces est visible sur la figure 1B et décrite, par exemple, dans le brevet japonais n" 1503925 au nom de
Matsushita. Dans ce type de convertisseur auto-oscillant, le circuit auto-oscillant est une combinaison de circuits résonnants à la fois en série et en parallèle. Avec ce type de démarche, le décalage de la fréquence de la puissance fournie dans la zone de régulation est grandement réduite.A more recent solution to this problem of effective currents is visible in FIG. 1B and described, for example, in Japanese patent No. 1503925 in the name of
Matsushita. In this type of self-oscillating converter, the self-oscillating circuit is a combination of resonant circuits both in series and in parallel. With this type of approach, the offset of the frequency of the power supplied to the regulation area is greatly reduced.
Dans le convertisseur de type Vinciarelli le décalage de la fréquence peut être supérieur à 10:1 à toutes les conditions et même plus lorsqu'un fonctionnement sans charge est nécessaire. Dans le convertisseur série/parallèle, le décalage de la fréquence est une fonction du rapport entre l'inductance en parallèle et l'inductance en série du circuit bouchon. On peut profiter ainsi de décalages pratiques de la fréquence de seulement de 2:1. Comme l'énergie à transférer à la charge de sortie est une fonction non seulement de la tension dans le circuit résonnant (1/2CV2F) mais aussi une fonction de la relation de phase entre les deux circuits résonnants, le courant efficace circulant dans les interrupteurs, le transformateur et les diodes change peu avec les changements correspondants dans la ligne d'arrivée. Ceci stabilise en effet le rendement par rapport aux caractéristiques de la ligne d'alimentation. Dans les convertisseurs séries-parallèles les pertes du circuit résonnant tendent à s'élever avec celles de la ligne mais les courants efficaces dans l'interrupteur, le transformateur et les parties magnétiques tendent à rester les mêmes. L'un des inconvénients principaux de la solution Matsushita est l'incapacité à ajuster la tension de fonctionnement du circuit bouchon.In the Vinciarelli type converter, the frequency offset can be greater than 10: 1 at all conditions and even more when operation without load is necessary. In the serial / parallel converter, the frequency offset is a function of the ratio between the inductance in parallel and the inductance in series of the plug circuit. You can take advantage of practical frequency shifts of only 2: 1. As the energy to be transferred to the output load is a function not only of the voltage in the resonant circuit (1 / 2CV2F) but also a function of the phase relationship between the two resonant circuits, the effective current flowing in the switches , the transformer and the diodes change little with the corresponding changes in the finish line. This indeed stabilizes the yield in relation to the characteristics of the supply line. In the series-parallel converters the losses of the resonant circuit tend to rise with those of the line but the effective currents in the switch, the transformer and the magnetic parts tend to remain the same. One of the main drawbacks of the Matsushita solution is the inability to adjust the operating voltage of the plug circuit.
Dans tous les convertisseurs résonnants le facteur Q du circuit oscillant est de la plus grande importance pour le rendement général du convertisseur de puissance. Un moyen principal pour contrôler les pertes à une puissance de sortie donnée quelconque dans la conception du type résonnant est de prélever un courant faible de fonctionnement dans le circuit bouchon. Dans les convertisseurs de la technique antérieure (Vinciarelli : brevet américain nO 4.415.959 brevet japonais nO 1503925) la tension du circuit bouchon en fonctionnement n'est pas réglable indépendamment des rapports des tensions de fonctionnement du convertisseur. Ceci oblige le concepteur à ajuster d'autres paramètres également importants comme l'inductance de fuite, la valeur de la capacité de résonnance et la densité du flux de fonctionnement. Le résultat de ceci est une efficacité de conception grandement réduite en raison d'un facteur Q plus faible ainsi que d'une capacité plus grande du circuit bouchon et d'un élément magnétique potentiellement plus difficile au point de vue de la fabrication. De plus, comme le rapport de l'inductance de magnétisation du circuit bouchon à la tension de ce dernier ne peut pas être manipulé dans les convertisseurs classiques, le décalage minimum de la fréquence est difficile à optimiser. Dans le convertisseur de la technique antérieure selon le brevet Archer nO 4.774.649, il existe un nouveau convertisseur auto-oscillant qui est construit sur un élément magnétique intégré. Grâce à cette démarche un certain contrôle de la tension de fonctionnement du circuit bouchon est possible ; toutefois ce contrôle est obtenu aux dépens d'autres variables et le transformateur magnétique intégré tend à avoir pour cette raison un faible facteur Q de fonctionnement.In all resonant converters the Q factor of the oscillating circuit is of the greatest importance for the general efficiency of the power converter. A primary means of controlling losses at any given output power in the resonant type design is to draw a low operating current from the plug circuit. In the converters of the prior art (Vinciarelli: American patent no. 4,415,959 Japanese patent no. 1,503,925) the voltage of the plug circuit in operation is not adjustable independently of the ratios of the operating voltages of the converter. This forces the designer to adjust other equally important parameters such as the leakage inductance, the value of the resonance capacity and the density of the operating flow. The result of this is greatly reduced design efficiency due to a lower Q factor as well as a larger capacity of the plug circuit and a potentially more difficult magnetic element from the manufacturing point of view. In addition, as the ratio of the magnetization inductance of the plug circuit to the voltage of the latter cannot be manipulated in conventional converters, the minimum frequency offset is difficult to optimize. In the converter of the prior art according to Archer patent no. 4,774,649, there is a new self-oscillating converter which is built on an integrated magnetic element. Thanks to this approach, a certain control of the operating voltage of the plug circuit is possible; however, this control is obtained at the expense of other variables and the integrated magnetic transformer tends to have a low Q factor for this reason.
Finalement le problème subsistant associé à la fois aux convertisseurs de Vinciarelli et de Matsushita est l'incapacité à fonctionner à la fois à courant nul et à tension nulle, simultanément. Comme indiqué précédemment, une cadence contrôlée de changement de la tension (dV/dT) est désirable pour parvenir à un fonctionnement silencieux au point de vue de la protection contre les parasites et les interférences. Pour compliquer encore cette exigence, il est désirable de parvenir à ceci sans l'emploi de composants extérieurs du fait que leur nombre et leur dimension ont une influence directe sur la taille de l'alimentation terminée. Finally, the remaining problem associated with both the Vinciarelli and Matsushita converters is the inability to operate at both zero current and zero voltage simultaneously. As previously indicated, a controlled rate of change of voltage (dV / dT) is desirable to achieve quiet operation from the standpoint of protection against interference and noise. To further complicate this requirement, it is desirable to achieve this without the use of external components since their number and size have a direct influence on the size of the finished feed.
Dans le convertisseur à décrire une commutation primaire a lieu à un courant très voisin de zéro en même temps qu'une forme substantiellement sinusoïdale est conservée pendant les intervalles de la commutation. In the converter to be described, a primary switching takes place at a current very close to zero at the same time as a substantially sinusoidal shape is preserved during the switching intervals.
Le convertisseur décrit ci-après parvient à un fonctionnement à tension nulle de l'interrupteur primaire, ayant ainsi une cadence contrôlée des changements de tension à travers le primaire du transformateur sans l'addition de pièces extérieures et facilitant l'élimination des pertes parasitaires de commutation associées à l'interruption de la tension à fréquence élevée. The converter described below achieves zero voltage operation of the primary switch, thus having a controlled rate of voltage changes across the transformer primary without the addition of external parts and facilitating the elimination of parasitic losses from switching associated with the interruption of the high frequency voltage.
Le convertisseur procure la capacité de transformer la tension de fonctionnement du circuit bouchon en une tension désirable quelconque au moyen de l'emploi d'un ensemble transformateur et circuit bouchon. The converter provides the ability to transform the operating voltage of the plug circuit into any desired voltage by using a transformer and plug circuit assembly.
Ainsi, le convertisseur a un rendement de fonctionnement élevé, une sûreté élevée et un coût et un bruit diminués. Le convertisseur en service est placé en série avec soit la sortie soit l'entrée du transformateur quelconque à plusieurs bornes utilisé dans la conversion de courant continu en courant continu. Il a un enroulement utilisé pour le circuit bouchon qui est raccordé à un condensateur de résonance et au moins deux enroulements additionnels, l'un pour chaque côté des enroulements du transformateur s'il s'agit du primaire et au moins deux enroulements pour chaque sortie s'il s'agit du secondaire avec chacun des deux enroulements monté en série avec chaque enroulement secondaire respectif mis à la masse. Les enroulements de sortie additionnels sont dans un rapport correct pour procurer des tensions réfléchies équilibrées. Thus, the converter has a high operating efficiency, a high safety and a reduced cost and noise. The converter in service is placed in series with either the output or the input of any transformer with several terminals used in the conversion of direct current into direct current. It has a winding used for the plug circuit which is connected to a resonance capacitor and at least two additional windings, one for each side of the transformer windings if it is the primary and at least two windings for each output in the case of the secondary with each of the two windings connected in series with each respective secondary winding grounded. The additional output windings are in the correct ratio to provide balanced reflected voltages.
Dans une réalisation secondaire du circuit bouchon en référence, ce qui suit serait typique de la réalisation. In a secondary embodiment of the stopper circuit with reference, the following would be typical of the embodiment.
L'enroulement primaire d'un transformateur à enroulements symétriques aurait des phases en opposition reliées à une tension d'alimentation continue, les enroulements secondaires correspondants auraient leurs sorties correctement en phase reliées à un redresseur correspondant et leurs bornes de masse seraient raccordées à un enroulement respectif de l'ensemble du transformateur résonnant avec chaque enroulement respectif de l'ensemble résonnant déphasé par rapport aux autres. Les sorties correspondantes de l'ensemble résonnant seraient réunies ensemble et raccordées à la masse du condensateur de lissage de la sortie avec l'autre côté du condensateur de lissage raccordé à la sortie des redresseurs.The primary winding of a transformer with symmetrical windings would have opposite phases connected to a DC supply voltage, the corresponding secondary windings would have their outputs correctly in phase connected to a corresponding rectifier and their earth terminals would be connected to a winding. respective of the resonant transformer assembly with each respective winding of the resonant assembly out of phase with the others. The corresponding outputs of the resonant assembly would be joined together and connected to the ground of the smoothing capacitor of the output with the other side of the smoothing capacitor connected to the output of the rectifiers.
La circulation du courant à travers le primaire est établie par impulsions avec la durée d'ouverture des deux interrupteurs tenue constante et la durée de fermeture contrôlée au moyen d'un amplificateur d'erreur répondant aux changements de la charge de sortie. Le champ de fuite du transformateur est accordé aux transformateurs résonnants par un condensa teur de résonance avec l'inductance de fuite étant mise à l'échelle au moyen du rapport du secondaire correspondant des transformateurs à l'enroulement du circuit bouchon. Cette fréquence de résonance est fixée à deux fois environ la fréquence du circuit bouchon en parallèle qui est réglée par l'inductance de magnétisation de l'enroulement du circuit bouchon. Les courants circulant dans les enroulements primaire et secondaire sont donc forcés de prendre une forme sinusoïdale en réponse au flux sinusoïdal commun circulant dans l'ensemble du transformateur à circuit bouchon.The flow of current through the primary is established in pulses with the opening time of the two switches held constant and the closing time controlled by means of an error amplifier responding to changes in the output load. The transformer leakage field is granted to resonant transformers by a resonant capacitor with the leakage inductance being scaled by means of the corresponding secondary ratio of the transformers to the winding of the plug circuit. This resonant frequency is fixed at about twice the frequency of the parallel plug circuit which is regulated by the magnetization inductance of the plug circuit winding. The currents flowing in the primary and secondary windings are therefore forced to take a sinusoidal shape in response to the common sinusoidal flow flowing in the whole of the plug circuit transformer.
Le convertisseur optimise le facteur Q du circuit bouchon par la sélection de la matière du noyau, de la densité du flux de fonctionnement et de la fréquence. The converter optimizes the Q factor of the plug circuit by selecting the material of the core, the density of the operating flow and the frequency.
L'utilisation de la capacité du circuit bouchon par l'intermédiaire du réglage du rapport des spires entre les enroulements de charge et du circuit bouchon minimise le décalage de la fréquence du minimum au maximum pour la régulation par la sélection de la perméabilité du noyau et du rapport de l'enroulement du circuit bouchon à l'enroulement de charge.The use of the capacity of the plug circuit through the adjustment of the ratio of the turns between the load windings and of the plug circuit minimizes the shift of the frequency from minimum to maximum for regulation by selecting the permeability of the core and the ratio of the winding of the plug circuit to the load winding.
Ceci est rendu possible par l'emploi d'un transformateur pour le circuit bouchon résonnant parallèle.This is made possible by the use of a transformer for the parallel resonant plug circuit.
Conformément à la présente invention il est apporté un convertisseur résonnant d'alimentation en puissance pour le changement de la grandeur d'une tension continue, dans une gamme de fonctionnement de puissance, comprenant : un transformateur principal ayant un noyau, un enroulement primaire pour produire des flux alternés circulant dans des sens opposés à travers le noyau, un interrupteur de commande pour produire des impulsions alternées de circulation du courant à travers l'enroulement primaire en vue de l'obten- tion de cette circulation alternée du flux, cet interrupteur de commande et cet enroulement primaire ayant une capacité parasitaire prédéterminée avec un temps de retard prédéterminé entre la fin d'une impulsion donnée et le début de l'impulsion suivante, ce transformateur comprenant une paire d'enroulements secondaires disposés pour être alternativement conducteurs en phase avec la circulation alternée du flux, étant inhérente à ce transformateur principal une inductance de magnétisation telle que le courant de magnétisation est assez grand pour charger de manière contrôlée cette capacité parasitaire, le circuit secondaire comprenant lesdits enroulements secondaires et ayant intérieurement des moyens de redressement pour redresser les courants dans ces enroulements secondaires, un circuit de sortie ayant des bornes de sortie et un condensateur de sortie, un circuit pour appliquer le courant redressé provenant du redresseur aux bornes de sortie sous forme d'un courant de charge, un circuit bouchon comprenant un transformateur à circuit bouchon ayant un enroulement de courant de charge disposé dans le convertisseur pour répondre au courant de charge, un enroulement de circuit bouchon relié magnétiquement audit enroulement de courant de charge et un condensateur de circuit bouchon monté en parallèle avec cet enroulement du circuit bouchon. According to the present invention there is provided a resonant power supply converter for changing the magnitude of a DC voltage, in a power operating range, comprising: a main transformer having a core, a primary winding to produce alternating flows flowing in opposite directions through the core, a control switch for producing alternating pulses of current flow through the primary winding for the purpose of obtaining this alternating flow flow, this switch control and this primary winding having a predetermined parasitic capacitance with a predetermined delay time between the end of a given pulse and the start of the next pulse, this transformer comprising a pair of secondary windings arranged to be alternately conductive in phase with alternating flow circulation, being inherent in this transformer main a magnetizing inductor such that the magnetizing current is large enough to charge in a controlled manner this parasitic capacitance, the secondary circuit comprising said secondary windings and having internally rectifying means for rectifying the currents in these secondary windings, an output circuit having output terminals and an output capacitor, a circuit for applying the rectified current from the rectifier to the output terminals as a load current, a plug circuit comprising a plug circuit transformer having a load current winding disposed in the converter to respond to the load current, a plug circuit winding magnetically connected to said load current winding and a plug circuit capacitor mounted in parallel with this plug circuit winding.
Des convertisseurs de courant continu en courant continu conformes à l'invention seront décrits maintenant à titre d'exemple en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels
- les figures 1A et 1B montrent, respectivement, deux genres de circuits de la technique antérieure,
- la figure 2 est un exemple de réalisation de la présente invention avec le circuit bouchon situé dans le secondaire du transformateur principal,
- les figures 3 et 4 montrent des formes d'ondes existantes dans le circuit de la figure 2 à des conditions de charge relativement lourde et relativement légère, respectivement,
- la figure 5 est une variante de réalisation de l'invention avec le circuit bouchon situé dans le primaire du transformateur principal,
- la figure 6 est un circuit de commande pour la manoeuvre des interrupteurs 28, 30, 28', 30' des figures 2 et 5 pour la création des formes- d'ondes représentées sur les figures 3 et 4. Les détails du fonctionnement du circuit de la figure 6 sont exposés dans une publication de Motorola intitulée Semi-conductor Technical Data Prototype Information, High Performance Resonant Mode Controller, PC 34067.Direct current to direct current converters according to the invention will now be described by way of example with reference to the appended schematic drawings in which
FIGS. 1A and 1B show, respectively, two kinds of circuits of the prior art,
FIG. 2 is an exemplary embodiment of the present invention with the plug circuit located in the secondary of the main transformer,
FIGS. 3 and 4 show waveforms existing in the circuit of FIG. 2 at relatively heavy and relatively light load conditions, respectively,
FIG. 5 is an alternative embodiment of the invention with the plug circuit located in the primary of the main transformer,
- Figure 6 is a control circuit for the operation of switches 28, 30, 28 ', 30' of Figures 2 and 5 for the creation of waveforms shown in Figures 3 and 4. Details of the operation of the The circuit of Figure 6 are exposed in a Motorola publication entitled Semi-conductor Technical Data Prototype Information, High Performance Resonant Mode Controller, PC 34067.
La figure 2 montre un transformateur principal 10 ayant des enroulements primaires 12 et 14, un noyau 16 et des enroulements secondaires 18 et 20. Les enroulements 12 et 14 ont des nombres égaux de spires, sont enroulés en opposition comme indiqué par des points conventionnels, de sorte que les courants primaires (Ip1 et Ip2) produisent des flux opposés dans le noyau 16. Les enroulements 12 et 14 sont réalisés de telle manière qu'il existe une capacité parasitaire minimale et une inductance de fuite minimale entre les enroulements. FIG. 2 shows a main transformer 10 having primary windings 12 and 14, a core 16 and secondary windings 18 and 20. The windings 12 and 14 have equal numbers of turns, are wound in opposition as indicated by conventional points, so that the primary currents (Ip1 and Ip2) produce opposite flows in the core 16. The windings 12 and 14 are produced in such a way that there is a minimum parasitic capacitance and a minimum leakage inductance between the windings.
L'énergie électrique est fournie en provenance d'une source continue 22 montée en pont avec des condensateurs 24 et 26 qui servent à éliminer les ondulations et qui procurent aussi une source stable d'énergie pour le convertisseur. Electric power is supplied from a continuous source 22 connected in bridge with capacitors 24 and 26 which serve to eliminate the ripples and which also provide a stable source of energy for the converter.
Les enroulements 12 et 14 sont montés en parallèle aux bornes à la tension d'entrée 22. En série avec l'enrou- lement 12 se trouve un interrupteur de commande 28, en série avec l'enroulement 14 se trouve un interrupteur de commande 30. Les interrupteurs 28 et 30 sont manoeuvrés alternativement par le circuit de commande visible sur la figure 6 et avec un retard ou un temps mort prédéterminé entre l'ouver- ture d'un interrupteur et la fermeture de l'autre. Les interrupteurs 28 et 30 sont des interrupteurs de type dit
MOSFET, métal, oxyde, semi-conducteur, ayant respectivement des diodes intrinsèques 32 et 34 qui rétablissent l'excursion de la fréquence lorsque l'interrupteur opposé s'ouvre.The windings 12 and 14 are mounted in parallel at the terminals at the input voltage 22. In series with the winding 12 there is a control switch 28, in series with the winding 14 there is a control switch 30 The switches 28 and 30 are operated alternately by the control circuit visible in FIG. 6 and with a predetermined delay or dead time between the opening of one switch and the closing of the other. Switches 28 and 30 are type switches
MOSFET, metal, oxide, semiconductor, having respectively intrinsic diodes 32 and 34 which restore the excursion of the frequency when the opposite switch opens.
Le temps de retard est réalisé, entre autre, par le choix d'une capacité parasitaire prédéterminée dans les interrupteurs de commande 28, 30, 32, 34. Le transformateur principal 10 est conçu pour que le courant de magnétisation soit suffisamment grand pour charger de manière contrôlée la capacité parasitaire des enroulements primaires 12, 14. Par exemple l'inductance de magnétisation peut être établie par l'existence d'un entrefer convenable dans le noyau 16. The delay time is achieved, among other things, by the choice of a predetermined parasitic capacitance in the control switches 28, 30, 32, 34. The main transformer 10 is designed so that the magnetization current is large enough to charge the in a controlled manner, the parasitic capacity of the primary windings 12, 14. For example, the magnetization inductance can be established by the existence of a suitable air gap in the core 16.
Les enroulements secondaires 18 et 20 sont reliés magnétiquement par le noyau 16 aux enroulements primaires 12 et 14 et ces enroulements secondaires sont bobinés pour être en phase avec les enroulements 12 et 14 comme indiqué par les points. Les inductances 36 et 38 ne sont pas des éléments discrets de circuit mais elles représentent le champ de fuite des enroulements 12, 14, 18, 20 réfléchi dans le secondaire. The secondary windings 18 and 20 are magnetically connected by the core 16 to the primary windings 12 and 14 and these secondary windings are wound to be in phase with the windings 12 and 14 as indicated by the dots. The inductors 36 and 38 are not discrete circuit elements but they represent the leakage field of the windings 12, 14, 18, 20 reflected in the secondary.
La sortie du secondaire est redressée par un moyen convenable quelconque représenté ici par exemple par une diode 40 en série avec l'enroulement 18 et une diode 42 en série avec l'enroulement 20. La sortie des diodes 40, 42 est reliée à la borne de sortie 44, comme il est visible en 46. The output of the secondary is rectified by any suitable means represented here for example by a diode 40 in series with the winding 18 and a diode 42 in series with the winding 20. The output of the diodes 40, 42 is connected to the terminal outlet 44, as seen at 46.
Interposé dans le secondaire entre les enroulements 18, 20 et les bornes de sortie 44, 48 se trouve un circuit bouchon 50 comprenant un transformateur bouchon résonnant 51 ayant un noyau 52 et des enroulements associés 54, 56, 58. Interposed in the secondary between the windings 18, 20 and the output terminals 44, 48 is a plug circuit 50 comprising a resonant plug transformer 51 having a core 52 and associated windings 54, 56, 58.
L'enroulement 54 est en série avec l'enroulement secondaire 18 ; l'enroulement 56 est en série avec l'enroulement 20. Les deux sorties sont réunies ensemble avec la borne 48. Le condensateur 60 entre les bornes de sortie 44/48 lisse le signal de sortie. La résistance 62 représente la charge à la sortie du convertisseur. De cette façon les enroulements 54 et 56 sont sensibles au courant de charge du convertisseur.The winding 54 is in series with the secondary winding 18; the winding 56 is in series with the winding 20. The two outputs are joined together with the terminal 48. The capacitor 60 between the output terminals 44/48 smoothes the output signal. Resistor 62 represents the load at the output of the converter. In this way the windings 54 and 56 are sensitive to the load current of the converter.
Le troisième enroulement 58 constitue un enroulement bouchon aux bornes duquel se trouve un condensateur 64 de circuitbouchon.The third winding 58 constitutes a plug winding at the terminals of which is a plug circuit capacitor 64.
Le transformateur bouchon résonnant 51 a deux fonctions de base. Premièrement, il commande la forme du courant à travers le transformateur principal 10 par l'intermédiaire du flux commun de l'enroulement 68 du circuit bouchon résonnant et des enroulements associés à travers lesquels tout le courant circulant dans le transformateur principal 10 doit passer. Deuxièmement, il permet au concepteur de minimiser les pertes dans les éléments 58/64 du circuit bouchon résonnant aussi bien que le contrôle du décalage de la fréquence par l'intermédiaire de la capacité à régler la tension de fonctionnement du circuit bouchon à l'aide du rapport des spires du transformateur ainsi que de fixer le rapport de l'inductance de magnétisation du circuit bouchon à l'inductance de fuite réfléchie du transformateur principal 10. The resonant plug transformer 51 has two basic functions. First, it controls the shape of the current through the main transformer 10 through the common flow of the winding 68 of the resonant plug circuit and associated windings through which all the current flowing in the main transformer 10 must pass. Second, it allows the designer to minimize losses in the 58/64 elements of the resonant plug circuit as well as controlling frequency offset through the ability to adjust the operating voltage of the plug circuit using the ratio of the turns of the transformer as well as fixing the ratio of the magnetization inductance of the plug circuit to the reflected leakage inductance of the main transformer 10.
La figure 5 est semblable à la figure 2 avec le circuit bouchon 50 déplacé du secondaire du transformateur principal au primaire comme il est visible en 50'. Comme avec le circuit 50, le circuit bouchon 50' est situé pour être sensible au courant de charge à travers 62. La correspondance entre les pièces constitutives de la figure 5 et de la figure 2 sont indiquées par le symbole ' appliqué aux références numériques sur la figure 5. Figure 5 is similar to Figure 2 with the plug circuit 50 moved from the secondary of the main transformer to the primary as it is visible at 50 '. As with circuit 50, the plug circuit 50 'is located to be sensitive to the load current through 62. The correspondence between the constituent parts of FIG. 5 and of FIG. 2 are indicated by the symbol' applied to the numerical references on Figure 5.
L'enroulement 54' qui correspond à l'enroulement 54 de la figure 2 est en série avec l'enroulement primaire 12', l'enroulement 56' est en série avec l'enroulement 14'. The winding 54 'which corresponds to the winding 54 of Figure 2 is in series with the primary winding 12', the winding 56 'is in series with the winding 14'.
Comme le noyau 52 de la figure 2, le noyau 52' de la figure 5 est commun aux trois enroulements 54', 56', 58'.Like the core 52 of Figure 2, the core 52 'of Figure 5 is common to the three windings 54', 56 ', 58'.
Les formes d'ondes des figures 3 et 4 se reportent sur le circuit de la figure 5 substantiellement sans changement. Dans les enroulements primaires de la figure 5 il existe un faible courant de magnétisation circulant à travers les enroulements 54', 56', qui est la cause d'une distorsion négligeable. The waveforms of Figures 3 and 4 refer to the circuit of Figure 5 substantially without change. In the primary windings of Figure 5 there is a weak magnetization current flowing through the windings 54 ', 56', which is the cause of negligible distortion.
Le fonctionnement de l'appareil de la figure 2 est le suivant. L'interrupteur 28 est fermé pour le début d'un cycle. I1 est supposé que le convertisseur se trouve à l'état de fonctionnement permanent (c'est-à-dire pas au démarrage), alors l'instant de la fermeture de cet interrupteur corres pond à une relation de phase appropriée du transformateur bouchon résonnant 51. Le courant s'élève dans l'enroulement 12 et dans l'interrupteur correspondant 28 de manière sinusoïdale en raison de l'influence du flux du transformateur bouchon et du circuit créé par l'inductance de fuite du circuit de sortie 36 et de l'inductance réfléchie de magnétisation du circuit bouchon résonnant. A partir du circuit 50 il se forme donc un circuit bouchon résonnant en série jusqu'à ce que la tension de ce dernier soit suffisamment inversée et que la diode de sortie 40 s'ouvre. A ce moment l'interrupteur primaire 28 continue à rester fermé mais le courant suit une rampe descendante et coupe le courant de magnétisation du transformateur 10. Quand le circuit de commande de la figure 6 ouvre les interrupteurs 28/30, les deux interrupteurs restent ouverts pendant que la tension aux bornes de l'interrupteur 28 et de l'interrupteur 30 s'inverse, jusqu'à ce que leurs diodes respectives 32/34 deviennent conductrices. A ce moment les tensions respectives sont à leur point zéro et l'interrupteur 30 agissant en alternance peut être fermé. L'enroulement secondaire 20 agissant en alternance devient conducteur maintenant à travers son chemin résonnant en série 38/51 et les courants du cycle précédent sont répétés dans le sens opposé. Ce rapport dans le temps peut être conservé jusqu'à ce que la charge change. Quand la charge est augmentée, le circuit de commande de la figure 6 diminue la durée de fermeture des deux interrupteurs, ce qui élève effectivement la fréquence de fonctionnement du convertisseur. Toutefois le retard ou temps mort entre les interrupteurs reste le même étant donné que le temps de rétablissement de la tension change légèrement seulement en raison de la grandeur du courant d'ouverture. Le courant d'ouverture est toujours le courant de magnétisation du fait que le courant de charge diminue jusqu'à la valeur du courant de magnétisation pendant chaque cycle s'il est supposé que l'alimentation est en fonctionnement à l'intérieur de ses limites de charge. Le courant restant de magnétisation, circulant à travers le condensateur parasitaire des interrupteurs et des enroulements, entraîne la tension jusqu'au point correspondant de rétablissement en une durée déterminée par la valeur de la capacité et la grandeur du courant. Ce courant d'entraînement change avec la fréquence étant donné que le temps de fermeture change avec la fréquence mais ce changement n'est pas suffisant pour produire un changement important quelconque dans le rapport dV/dT. Le changement effectif dans une réalisation pratique serait de 2:1 environ. The operation of the apparatus of FIG. 2 is as follows. Switch 28 is closed for the start of a cycle. I1 is assumed that the converter is in the permanent operating state (that is to say not at start-up), so the instant of closing of this switch corresponds to an appropriate phase relationship of the resonant plug transformer 51. The current rises in the winding 12 and in the corresponding switch 28 in a sinusoidal manner due to the influence of the flux of the plug transformer and of the circuit created by the leakage inductance of the output circuit 36 and of the reflected magnetization inductance of the resonant plug circuit. From circuit 50, a plug circuit resonating in series is thus formed until the voltage of the latter is sufficiently reversed and the output diode 40 opens. At this moment the primary switch 28 continues to remain closed but the current follows a downward ramp and cuts the magnetization current of the transformer 10. When the control circuit of FIG. 6 opens the switches 28/30, the two switches remain open while the voltage at the terminals of the switch 28 and of the switch 30 reverses, until their respective diodes 32/34 become conductive. At this time the respective voltages are at their zero point and the switch 30 acting alternately can be closed. The secondary winding 20 acting alternately now conducts through its resonant path in series 38/51 and the currents of the previous cycle are repeated in the opposite direction. This time report can be kept until the load changes. When the load is increased, the control circuit of Figure 6 decreases the closing time of the two switches, which effectively increases the operating frequency of the converter. However, the delay or dead time between the switches remains the same since the voltage recovery time changes only slightly due to the magnitude of the opening current. The opening current is always the magnetization current because the load current decreases to the value of the magnetization current during each cycle if it is assumed that the power supply is operating within its limits dump. The remaining magnetization current, flowing through the parasitic capacitor of the switches and windings, drives the voltage to the corresponding point of recovery in a period determined by the value of the capacity and the magnitude of the current. This drive current changes with frequency since the closing time changes with frequency but this change is not sufficient to produce any significant change in the dV / dT ratio. The actual change in a practical realization would be about 2: 1.
De cette manière, le convertisseur fonctionne selon un mode à tension nulle, ce qui évite les problèmes de bruit et de perte associés à la fermeture et à l'ouverture des interrupteurs avec une tension à leurs bornes. Cette perte peut être évaluée approximativement quand la tension aux bornes de l'interrupteur est connue ainsi que l'importance de la capacité parasitaire de même que la fréquence de fonctionnement. Dans un convertisseur typique à haute fréquence commandé par un transistor à effet de champ fonctionnant à l'ouverture à une tension élevée (300 v), cette perte serait approximativement de 2 watts, ce qui nécessiterait un puits de chaleur et l'augmentation de l'importance de l'alimentation en puissance ainsi qu'un accroissement de la valeur du filtre d'entrée. A mesure que le circuit de commande élève la fréquence en réponse à une demande accrue de puissance, la durée de résonance en série augmente et la durée du courant circulant à travers le champ de fuite correspondant réfléchie et la diode secondaire augmente. L'inverse est vrai quand la demande de puissance diminue et que la fréquence de fonctionnement correspondante diminue.In this way, the converter operates in a zero voltage mode, which avoids the noise and loss problems associated with the closing and opening of the switches with a voltage across their terminals. This loss can be estimated approximately when the voltage at the terminals of the switch is known as well as the importance of the parasitic capacitance as well as the operating frequency. In a typical high frequency converter controlled by a field effect transistor operating on opening at a high voltage (300 v), this loss would be approximately 2 watts, which would require a heat sink and the increase in l importance of the power supply as well as an increase in the value of the input filter. As the control circuit raises the frequency in response to an increased demand for power, the duration of series resonance increases and the duration of the current flowing through the corresponding reflected leakage field and the secondary diode increases. The opposite is true when the demand for power decreases and the corresponding operating frequency decreases.
La figure 3 montre la relation des formes d'ondes du convertisseur à un état de charge moyen à relativement important. Les ondes A et B sont des commandes correspondantes provenant du circuit de commande de la figure 6 aux interrupteurs respectifs 28 et 30. Les formes d'ondes C et D sont les courants correspondants I1 et Ip2 circulant dans les interrupteurs pendant leur cycle de conduction. Comme on peut le voir à partir de ces formes d'ondes, le courant initial (courant de charge) à 100 est de nature sinusoïdale se terminant en 102 au courant de magnétisation 104 du primaire du transformateur (partie linéaire). Les formes d'ondes E et
F montrent les tensions correspondantes Vp1 et Vp2 aux bornes des interrupteurs 30 et 28 respectivement, montrant l'intervalle 106 d'interruption à tension nulle (formes A et B). La forme d'onde G montre la tension V t du circuit bouchon résonnant 58/64 et le courant It circulant dans le condensateur de résonance 64, pour les deux parties en série et en parallèle du fonctionnement du convertisseur. Le temps t1 est le temps pendant lequel le circuit équivalent est un circuit bouchon résonant en série avec l'inductance de fuite réfléchie 36 en série avec la capacité de résonance réfléchie fixant la fréquence de fonctionnement du circuit bouchon.Figure 3 shows the relationship of the converter waveforms to a medium to relatively high state of charge. Waves A and B are corresponding commands from the control circuit of FIG. 6 to the respective switches 28 and 30. The waveforms C and D are the corresponding currents I1 and Ip2 flowing in the switches during their conduction cycle. As can be seen from these waveforms, the initial current (load current) at 100 is sinusoidal in nature ending at 102 at the magnetization current 104 of the primary of the transformer (linear part). E and
F show the corresponding voltages Vp1 and Vp2 at the terminals of switches 30 and 28 respectively, showing the interval 106 of interruption at zero voltage (forms A and B). The waveform G shows the voltage V t of the resonant plug circuit 58/64 and the current It flowing in the resonance capacitor 64, for the two parts in series and in parallel with the operation of the converter. The time t1 is the time during which the equivalent circuit is a plug circuit resonant in series with the reflected leakage inductance 36 in series with the reflected resonance capacity fixing the operating frequency of the plug circuit.
Comme ce chemin passe à travers la diode 40, le courant réfléchi circule à travers la diode 40 jusqu'à la charge 62.As this path passes through the diode 40, the reflected current flows through the diode 40 to the load 62.
Le temps t2 est le temps pendant lequel les diodes de sortie 40 et 42 sont ouvertes et qu'il n'existe pas de champ de fuite réfléchie en série avec le circuit bouchon 50. La fréquence de fonctionnement à ce point est la fréquence du circuit bouchon en parallèle comprenant l'enroulement 58 du circuit bouchon de magnétisation de l'inductance en parallèle avec le condensateur de résonance 64. Les temps t3 et t4 correspondent aux formes d'ondes identiques vues dans un miroir à la suite de l'action de l'interrupteur opposé 30. La figure 4 montre les formes d'ondes fonctionnelles du convertisseur à un état de charge plus faible. Les relations entre les temps sont les mêmes que pour la figure 3. The time t2 is the time during which the output diodes 40 and 42 are open and that there is no reflected leakage field in series with the plug circuit 50. The operating frequency at this point is the frequency of the circuit plug in parallel comprising the winding 58 of the plug magnetization circuit of the inductor in parallel with the resonance capacitor 64. The times t3 and t4 correspond to the identical waveforms seen in a mirror following the action of the opposite switch 30. Figure 4 shows the functional waveforms of the converter at a lower state of charge. The relationships between times are the same as in Figure 3.
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