RU2749280C1 - Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency - Google Patents
Resonant dc voltage converter with increased reliability and efficiency Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS 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
- H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
- H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
- H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/28—Conversion 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
- H02M3/325—Conversion 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
- H02M3/335—Conversion 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
- H02M3/337—Conversion 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
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies 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
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
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
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
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
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
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)
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)
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 |
-
2020
- 2020-11-02 RU RU2020136032A patent/RU2749280C1/en active
Patent Citations (4)
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 |