[go: up one dir, main page]

RU2749280C1 - Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency - Google Patents

Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency Download PDF

Info

Publication number
RU2749280C1
RU2749280C1 RU2020136032A RU2020136032A RU2749280C1 RU 2749280 C1 RU2749280 C1 RU 2749280C1 RU 2020136032 A RU2020136032 A RU 2020136032A RU 2020136032 A RU2020136032 A RU 2020136032A RU 2749280 C1 RU2749280 C1 RU 2749280C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonant
converter
voltage
rectifier
circuit
Prior art date
Application number
RU2020136032A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Георгиевич Гордеев
Сергей Петрович Черданцев
Андрей Николаевич Столяров
Анна Афанасьевна Столярова
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс"
Priority to RU2020136032A priority Critical patent/RU2749280C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2749280C1 publication Critical patent/RU2749280C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/337Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering; power converter technology.SUBSTANCE: device is a resonant DC-to-DC converter. It includes a bridge inverter, in the diagonal of which the resonant LC circuit and the primary winding of the transformer are connected in series; the secondary winding of the transformer is connected via a rectifier to the output filter and the load. In resonant converters of this type, negative processes occur during switching of key elements at non-zero values of currents (the release of voltage on the choke and the circulation of current in the resonant circuit), which leads to a decrease in the efficiency of the converter and a decrease in the reliability of its operation. To eliminate them, an additional winding is introduced into the choke of the resonant circuit, connected through a second rectifier to the output of the converter.EFFECT: proposed technical solution provides increased reliability and efficiency of the resonant DC voltage converter.1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к резонансным преобразователям постоянного напряжения в постоянное.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to resonant DC-to-DC converters.

Известен мостовой последовательный резонансный LC-преобразователь с включенным в диагональ моста резонансным контуром [1, 2]. За счет введения резонансного контура происходит мягкая коммутация ключевых элементов, что позволяет уменьшить динамические потери преобразователя. Данный преобразователь состоит из резонансного мостового инвертора 1, системы управления 2, выпрямителя 3, выходного фильтра 4 и нагрузки 5 (фиг.1).Known bridge serial resonant LC-converter with a resonant circuit included in the diagonal of the bridge [1, 2]. Due to the introduction of a resonant circuit, soft switching of key elements occurs, which makes it possible to reduce the dynamic losses of the converter. This converter consists of a resonant bridge inverter 1, a control system 2, a rectifier 3, an output filter 4 and a load 5 (Fig. 1).

В диагональ резонансного мостового инвертора 1 включены последовательный резонансный контур, состоящий из индуктивности L и конденсатора С, и первичная обмотка трансформатора TV. Вторичная обмотка трансформатора TV подсоединена к выпрямителю 3.The diagonal of the resonant bridge inverter 1 includes a series resonant circuit consisting of an inductance L and a capacitor C, and the primary winding of the transformer TV. The secondary winding of the TV transformer is connected to the rectifier 3.

В данной топологии резонансный контур и первичная обмотка трансформатора TV представляют собой делитель напряжения. При изменении рабочей частоты изменяется импеданс резонансного контура и, соответственно, изменяется напряжение на обмотке трансформатора. Поэтому, для регулирования выходного напряжения, используется метод частотно-импульсной модуляции. Плечи мостового инвертора 1 переключаются в противофазе, прикладывая к резонансному контуру и трансформатору TV напряжение питания в прямой и обратной полярности, формируя «меандр» с рабочей частотой преобразователя, определяемой системой управления 2. Коэффициент заполнения управляющих импульсов всегда меньше 50% для формирования паузы между переключениями плечей мостового инвертора [1].In this topology, the resonant circuit and the primary winding of the TV transformer are a voltage divider. When the operating frequency changes, the impedance of the resonant circuit changes and, accordingly, the voltage across the transformer winding changes. Therefore, a pulse frequency modulation method is used to regulate the output voltage. The arms of the bridge inverter 1 are switched in antiphase, applying a supply voltage in direct and reverse polarity to the resonant circuit and the TV transformer, forming a "square wave" with the operating frequency of the converter determined by the control system 2. The duty cycle of the control pulses is always less than 50% to form a pause between switching arms of the bridge inverter [1].

Для данной топологии характерна работа в диапазоне частот выше резонансной частоты LC-контура. Значение коммутируемого тока минимально на резонансной частоте и увеличивается с увеличением рабочей частоты. Во время паузы, после выключения транзисторов одного плеча мостового инвертора до момента переключения ключевых элементов выпрямителя, ток резонансного контура начинает резко уменьшаться до нулевого значения, замыкаясь при этом через обратные диоды транзисторов противоположного плеча, при этом напряжение на дросселе резонансного контура резко увеличивается. Кроме того, в течение данного интервала времени энергия, запасенная в резонансном контуре, остается циркулировать в цепи инвертора 1 и не передается в нагрузку. Эти процессы приводят к уменьшению КПД и снижению надежности работы преобразователя (фиг.2) [1, 2].This topology is characterized by operation in the frequency range above the resonant frequency of the LC circuit. The value of the switched current is minimum at the resonant frequency and increases with increasing operating frequency. During a pause, after turning off the transistors of one arm of the bridge inverter until the moment of switching the key elements of the rectifier, the current of the resonant circuit begins to sharply decrease to zero, while closing through the reverse diodes of the transistors of the opposite arm, while the voltage across the inductor of the resonant circuit increases sharply. In addition, during this time interval, the energy stored in the resonant circuit remains circulating in the inverter 1 circuit and is not transferred to the load. These processes lead to a decrease in efficiency and a decrease in the reliability of the converter (figure 2) [1, 2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Резонансный мостовой преобразователь напряжения» [3] (фиг.3). В данном патенте предлагается использовать дополнительный трансформатор, первичная обмотка которого включена параллельно конденсатору резонансного контура, а вторичная - через дополнительный выпрямитель к выходному фильтру преобразователя. Данное техническое решение позволяет ограничивать энергию, накапливаемую в резонансном контуре на заданном уровне. Если напряжение на вторичной обмотке не превышает выходное напряжение преобразователя, все диоды дополнительного выпрямителя закрыты и данная цепь практически не оказывает влияния на работу преобразователя. При достижении заданного уровня напряжения на резонансном конденсаторе открывается одна из пар диодов дополнительного выпрямителя, в зависимости от полярности напряжения на нем. Напряжение на конденсаторе остается на заданном уровне, а энергия входного источника передается в нагрузку через дополнительный выпрямитель (фиг.3).The closest in technical essence to the proposed invention is "Resonant bridge voltage converter" [3] (figure 3). This patent proposes to use an additional transformer, the primary winding of which is connected in parallel with the capacitor of the resonant circuit, and the secondary winding through an additional rectifier to the output filter of the converter. This technical solution makes it possible to limit the energy accumulated in the resonant circuit at a given level. If the voltage on the secondary winding does not exceed the output voltage of the converter, all diodes of the additional rectifier are closed and this circuit has practically no effect on the operation of the converter. When the specified voltage level is reached on the resonant capacitor, one of the pairs of diodes of the additional rectifier opens, depending on the polarity of the voltage across it. The voltage across the capacitor remains at a given level, and the energy of the input source is transferred to the load through an additional rectifier (Fig. 3).

Однако, учитывая, что напряжение на резонансном дросселе во время паузы всегда больше напряжения на конденсаторе и может превышать его в несколько раз, то в широком диапазоне рабочих режимов преобразователя данное схемотехническое решение никак не ограничивает во время паузы циркулирующую энергию и выброс напряжения на резонансном дросселе.However, given that the voltage across the resonant choke during a pause is always higher than the voltage across the capacitor and can exceed it by several times, in a wide range of operating modes of the converter this circuit design does not limit the circulating energy and the voltage surge across the resonant choke during the pause.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение КПД и повышение надежности работы резонансного преобразователя постоянного напряжения.The technical result of the proposed invention is to increase the efficiency and improve the reliability of the resonant DC voltage converter.

Для достижения технического результата в резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное (фиг.1), включающий в себя мостовой инвертор с системой управления, в диагональ которого последовательно включены резонансный LC-контур, состоящий из дросселя и конденсатора, и первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель и выходной фильтр подключена к выходу преобразователя, в дроссель резонансного контура введена дополнительная обмотка L:2, соединенная через второй выпрямитель с выходом преобразователя (фиг.4). Напряжение на дополнительной обмотке L:2 пропорционально напряжению на дросселе резонансного контура. Диоды второго выпрямителя закрыты, пока напряжение на дополнительной обмотке L:2 не превышает выходное напряжение преобразователя. При достижении заданного уровня напряжения на резонансном дросселе открывается одна из пар диодов второго выпрямителя 6, в зависимости от полярности напряжения на нем. Уровень ограничиваемого напряжения задается таким образом, чтобы в статическом режиме рабочего интервала преобразователя (пара транзисторов одного плеча моста полностью открыты, противоположного - полностью закрыты) все диоды выпрямителя 6 были закрыты и вся энергия передавалась в нагрузку через трансформатор TV и выпрямитель 3. Во время паузы, когда ток резонансного контура перестает протекать через ключевые элементы выпрямителя 3, напряжение на дросселе L резко увеличивается, открывая в соответствующую диодную пару выпрямителя 6. Напряжение на дросселе L остается на заданном уровне, а энергия резонансного контура через выпрямитель 6 поступает в нагрузку. В это время ток резонансного контура продолжает уменьшаться. В момент, когда он достигает нулевого значения, происходит переключение ключевых элементов выпрямителя 3, ток меняет свою полярность, и энергия снова передается в нагрузку через трансформатор TV и выпрямитель 3. Напряжение на дросселе резко снижается и падает ниже заданного значения, соответственно диоды выпрямителя 6 закрываются. Предложенное схемотехническое решение существенно снижает уровень циркулирующей в цепи инвертора энергии за счет передачи ее части непосредственно в нагрузку и уменьшает выброс напряжения на дросселе резонансного контура (фиг.5) во время паузы, практически не влияя на работу преобразователя в остальное время. Таким образом, введение в схему резонансного преобразователя дополнительной обмотки дросселя и второго выпрямителя, позволяет увеличить его КПД и повысить надежность во всем рабочем диапазоне.To achieve the technical result in a resonant DC-to-DC converter (Fig. 1), which includes a bridge inverter with a control system, in the diagonal of which a resonant LC circuit consisting of a choke and a capacitor is connected in series, and the primary winding of the transformer, the secondary winding of which through the first rectifier and the output filter is connected to the output of the converter, an additional winding L: 2 is introduced into the resonant circuit inductor, connected through the second rectifier to the output of the converter (Fig. 4). The voltage on the additional winding L: 2 is proportional to the voltage on the inductor of the resonant circuit. The diodes of the second rectifier are closed until the voltage on the additional winding L: 2 exceeds the output voltage of the converter. When a predetermined voltage level is reached at the resonant choke, one of the pairs of diodes of the second rectifier 6 opens, depending on the polarity of the voltage across it. The level of the limited voltage is set in such a way that in the static mode of the converter operating interval (a pair of transistors of one arm of the bridge are fully open, the opposite one is completely closed), all diodes of the rectifier 6 are closed and all the energy is transferred to the load through the transformer TV and rectifier 3. During the pause when the current of the resonant circuit stops flowing through the key elements of the rectifier 3, the voltage across the choke L increases sharply, opening the corresponding diode pair of the rectifier 6. The voltage across the choke L remains at a given level, and the energy of the resonant circuit through the rectifier 6 enters the load. At this time, the resonant circuit current continues to decrease. At the moment when it reaches zero, the key elements of the rectifier 3 are switched, the current changes its polarity, and the energy is again transferred to the load through the TV transformer and rectifier 3. The voltage across the choke drops sharply and falls below the set value, respectively, the diodes of the rectifier 6 are closed ... The proposed circuit solution significantly reduces the level of energy circulating in the inverter circuit by transferring part of it directly to the load and reduces the voltage surge across the resonant circuit inductor (Fig. 5) during a pause, practically without affecting the operation of the converter the rest of the time. Thus, the introduction of an additional inductor winding and a second rectifier into the resonant converter circuit makes it possible to increase its efficiency and increase reliability over the entire operating range.

Изготовлены экспериментальные образцы прототипа (фиг.1) и предлагаемого преобразователя мощностью до 1.5 кВт (фиг.4), работающие в диапазоне входных напряжений от 105 до 160 В и стабилизирующие выходное напряжение на уровне 100 В. Зависимость КПД от тока нагрузки прототипа [1] и предлагаемого преобразователя [2] представлены на фиг.6.Made experimental prototype samples (figure 1) and the proposed converter with a power of up to 1.5 kW (figure 4), operating in the input voltage range from 105 to 160 V and stabilizing the output voltage at 100 V. Dependence of efficiency on the load current of the prototype [1] and the proposed converter [2] are presented in Fig.6.

ЛитератураLiterature

1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005.1. Meleshin V.I. Transistor converter technology. Moscow: Technosphere, 2005.

2. Yang В. Topology investigation of front end DC/DC converter for distributed power system: PhD. Blacksburg, 2003.2. Yang V. Topology investigation of front end DC / DC converter for distributed power system: PhD. Blacksburg, 2003.

3. Глебов В.А, Жигачев В.А. Резонансный мостовой преобразователь напряжения, патент РФ №2593148, БИПМ №21 от 27.07.2017.3. Glebov V.A., Zhigachev V.A. Resonant bridge voltage converter, RF patent No. 2593148, BIPM No. 21 dated July 27, 2017.

Claims (1)

Резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, включающий в себя мостовой инвертор с системой управления, в диагональ которого последовательно включены резонансный LC-контур, состоящий из дросселя и конденсатора, и первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого через первый выпрямитель и выходной фильтр подключена к выходу преобразователя, отличающийся тем, что в дроссель резонансного контура введена дополнительная обмотка, соединенная через второй выпрямитель с выходом преобразователя.Resonant DC-to-DC converter, which includes a bridge inverter with a control system, in the diagonal of which a resonant LC circuit consisting of a choke and a capacitor is connected in series, and the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is connected to the output of the converter through the first rectifier and the output filter characterized in that an additional winding is introduced into the inductor of the resonant circuit, connected through the second rectifier to the output of the converter.
RU2020136032A 2020-11-02 2020-11-02 Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency RU2749280C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136032A RU2749280C1 (en) 2020-11-02 2020-11-02 Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136032A RU2749280C1 (en) 2020-11-02 2020-11-02 Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2749280C1 true RU2749280C1 (en) 2021-06-08

Family

ID=76301511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020136032A RU2749280C1 (en) 2020-11-02 2020-11-02 Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2749280C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4679129A (en) * 1985-05-10 1987-07-07 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Series resonant converter
EA008526B1 (en) * 2002-05-16 2007-06-29 СОВМЕСТНОЕ МОЛДО-РОССИЙСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭЛКОН", С.р.л. A regulated resonant voltage converter and a method of regulated resonancedc-dc voltage conversion
RU2593148C1 (en) * 2015-04-07 2016-07-27 Борис Александрович Глебов Resonance bridge voltage converter
RU2717232C1 (en) * 2019-05-27 2020-03-19 Борис Александрович Глебов Two-cycle resonance dc-dc converter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4679129A (en) * 1985-05-10 1987-07-07 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Series resonant converter
EA008526B1 (en) * 2002-05-16 2007-06-29 СОВМЕСТНОЕ МОЛДО-РОССИЙСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЭЛКОН", С.р.л. A regulated resonant voltage converter and a method of regulated resonancedc-dc voltage conversion
RU2593148C1 (en) * 2015-04-07 2016-07-27 Борис Александрович Глебов Resonance bridge voltage converter
RU2717232C1 (en) * 2019-05-27 2020-03-19 Борис Александрович Глебов Two-cycle resonance dc-dc converter

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5438498A (en) Series resonant converter having a resonant snubber
US5268830A (en) Drive circuit for power switches of a zero-voltage switching power converter
US5305191A (en) Drive circuit for zero-voltage switching power converter with controlled power switch turn-on
US6016258A (en) Full bridge DC-DC converters
US9812977B2 (en) Resonant converters with an improved voltage regulation range
US7746670B2 (en) Dual-transformer type of DC-to-DC converter
US8018740B2 (en) LLC soft start by operation mode switching
US7379309B2 (en) High-frequency DC-DC converter control
US5353212A (en) Zero-voltage switching power converter with ripple current cancellation
US6344768B1 (en) Full-bridge DC-to-DC converter having an unipolar gate drive
JPS62178169A (en) Single ended type dc-dc converter without switching loss
JPH0760998B2 (en) All bridge / power conversion circuit
US7609532B1 (en) Phase-shifted PWM bridge with switchable inductors to maintain zero-voltage switching at light load
US20070115697A1 (en) Method of controlling DC-to-DC converter whereby switching control sequence applied to switching elements suppresses voltage surges at timings of switch-off of switching elements
US20010036088A1 (en) Efficient power conversion circuit having zero voltage switching
US5563775A (en) Full bridge phase displaced resonant transition circuit for obtaining constant resonant transition current from 0° phase angle to 180° phase angle
US11128225B2 (en) DC-to-DC converter and method for operating a DC-to-DC converter
RU2749280C1 (en) Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency
RU2812961C1 (en) Flyback dc converter with active clamping
RU2822282C1 (en) Transformer flyback dc voltage converter with active clamping
RU2823793C1 (en) Forward converter of constant voltage with energy transfer in pause
RU2823794C1 (en) Forward converter of constant voltage with energy transfer in pulse
RU2815911C1 (en) High-efficiency active-clamping constant voltage converter
RU2835575C1 (en) Magnetically coupled constant voltage converter with active clamping
WO2020223720A1 (en) Efficient high voltage power supply for pulse capacitor discharge applications