Перемикаючий елемент потужного інвертора

Реферат: Винахід належить до електротехніки. Перемикаючий елемент потужного інвертора містить два ключових елементи, конденсатор, дросель з первинною обмоткою, та два діоди, конденсатор одним виводом підключено до другого виводу першого ключового елемента, один вивід першого діода підключено до першого вивода першого ключового елемента, а інший вивід першого діоду до конденсатора, додатково містить два додаткових виводи для підключення до джерела живлення, стабілітрон, три додаткові діоди, додатковий конденсатор і додатковий дросель з первинною обмоткою, обидва дроселі мають вторинні обмотки, які через перший та другий додаткові діоди, підключені до додаткових виводів, первинна обмотка додаткового дроселя та другий ключовий елемент з'єднані послідовно, де другий ключовий елемент першим виводом підключено до другого виводу первинної обмотки додаткового дроселя, а точка їх з'єднання, через третій додатковий діод і стабілітрон, підключена до першого додаткового виводу, паралельно з конденсатором підключено другий діод. UA 110682 C2 (12) UA 110682 C2 UA 110682 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі електротехніки, зокрема до перемикаючих елементів потужного інвертора, та може бути використаний у джерелах живлення, керованому електроприводі і в різних перетворювачах. Відомий перемикаючий елемент [Angelo Ferraro, "An overview of low-loss snubber technology for transistor converters", IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1982,p. 466-477., табл. 1]. Пристрій містить ключовий елемент, дросель, діод та конденсатор, дросель підключено послідовно з ключовим елементом, інший вивід ключового елемент підключено до першого виводу конденсатора, який через діод, другим виводом, підключається до точки з'єднання ключового елемента та дроселя. Проте, за рахунок виділення значної кількості енергії на резисторі, перемикаючий елемент стає не ефективним. Відомий перемикаючий елемент [Данилов B.C., Лукьянов К.С., Моисеев Е.А. Анализ и выбор демпфирующих цепей для мощных импульсных преобразователей// Сборник научных трудов НГТУ. 2005. №1, - С. 1-6., рис. 3а]. Пристрій містить ключовий елемент, дросель, діод та конденсатор, дросель підключено послідовно з ключовим елементом, інший вивід ключового елемент підключено до першого виводу конденсатора, який через діод, другим виводом, підключається до точки з'єднання ключового елемента та дроселя. Проте, при такому рішенню струм у ключовому елементі в перший момент відкривання не нульовий, а також значна кількість енергії виділяється на резисторах. Відомо перемикаючий елемент [Булатов А.Ю., Головко О.О. "Процеси формування траєкторії перемикань в електричних колах з ключовими елементами", Вісник КНУТД №6, 2011р. - С. 17-22, рис. 1]. Пристрій містить ключовий елемент, дросель, діод та конденсатор, дросель підключено послідовно з ключовим елементом, інший вивід ключового елемент підключено до першого виводу конденсатора, який через діод, другим виводом, підключається до точки з'єднання ключового елемента та дроселя. Недоліком є те, що ключовий елемент потребує додаткового габаритного потужного зворотного інвертора. Відомий також перемикаючий елемент потужного інвертора [US Patent No 5,828,559, Н02Н 7/12, Oct. 27, 1998, fig. 1], який містить два ключових елементи, конденсатор, дросель з первинною обмоткою, та два діоди, у якого конденсатор одним виводом підключено до другого виводу першого ключового елемента, один вивід першого діода підключено до першого вивода першого ключового елемента, а інший вивід першого діоду до конденсатора, він не забезпечує формування безпечної траєкторії перемикань під час відмикання ключового елемента. В основу винаходу поставлена задача створення такого перемикаючого елемента потужного інвертора, в якому введенням нових елементів забезпечилося б покращення його технічних характеристик. Поставлена задача вирішується тим, що перемикаючий елемент потужного інвертора містить два виводи для підключення до джерела живлення, два ключових елементи, конденсатор, дросель з первинною обмоткою, та два діоди, у якого конденсатор одним виводом підключено до другого виводу першого ключового елемента, один вивід першого діода підключено до першого вивода першого ключового елемента, а інший вивід першого діоду до конденсатора, згідно з винаходом додатково містить два додаткових виводи для підключення до джерела живлення, стабілітрон, три додаткові діоди, додатковий конденсатор і додатковий дросель з первинною обмоткою, обидва дроселі мають вторинні обмотки, які через перший та другий додаткові діоди, підключені до додаткових виводів, первинна обмотка додаткового дроселя та другий ключовий елемент з'єднані послідовно, де другий ключовий елемент першим виводом підключено до другого виводу первинної обмотки додаткового дроселя, а точка їх з'єднання, через третій додатковий діод і стабілітрон, підключена до першого додаткового виводу, паралельно з конденсатором підключено другий діод, один із виводів перемикаючого елемента підключено до джерела живлення, а між другим виводом джерела і другим виводом перемикаючого елемента включено четвертий додатковий діод. Конденсатор, підключений паралельно до ключового елемента, затягує швидкість наростання напруги на останньому, під час його виключення. Дросель, підключений послідовно до ключового елемента, затягує швидкість наростання струму в останньому, під час його включення. Таким чином, наростання напруги на ключовому елементі та спад струму під час його виключення, або наростання струму та спад напруги під час його виключення рознесено у часі, і миттєва потужність, яка визначає втрати енергії при перемиканні стає незначною. Енергія, що накопляється в конденсаторі та дроселі за допомогою додатково введених елементів і зв'язків повертається у джерело живлення, що забезпечує покращення технічних характеристик. На фіг. 1 представлена схема перемикаючого елемента потужного інвертора, на фіг. 2 представлені епюри, які пояснюють принцип роботи перемикаючого елемента потужного 1 UA 110682 C2 5 10 15 інвертора, на фіг. 3 представлено приклад побудови напівмостового інвертора, із використанням запропонованого перемикаючого елемента потужного інвертора. Перемикаючий елемент потужного інвертора містить два ключових елементи 1 та 2, дросель 3 з первинною обмоткою 3.1 та вторинною обмоткою 3.2, додатковий дросель 4 з первинною обмоткою 4.1 та вторинною обмоткою 4.2, конденсатор 5, додатковий конденсатор 6, перший додатковий діод 7, другий додатковий діод 8, перший діод 9, другий діод 10, третій додатковий діод 11, стабілітрон 12, джерело живлення 13, четвертий додатковий діод, два затворні резистори 15 і 16, схему перемикаючого елемента 17, перший вивід перемикаючого елемента потужного інвертора 18, другий вивід перемикаючого елемента потужного інвертора 19, перший додатковий вивід перемикаючого елемента потужного інвертора 20, другий додатковий вивід перемикаючого елемента потужного інвертора 21, точка з'єднання другого ключового елемента та первинної обмотки додаткового дроселя 22. В залежності від сигналу управління Fyпp=1 або Fyпp=0, ключові елементи 1 (VT1) та 2 (VT2) знаходяться, відповідно, у провідному або непровідному стані. Припустимо, що постійна часу кола навантаження велика відносно періоду імпульсної модуляції, струм навантаження незмінний і дорівнює Ін. Початкові умови для провідного стану перемикаючого елемента 17: струми обмоток дроселів 3 (ДР1) та 4 (ДР2) дорівнюють нулю, а конденсатор 5 (СІ) заряджений до величини:  w1ДР1   . (1) UC1 [0]  E1   w 2 ДР1    20 25 30 В момент часу t=0 сигнал Fyпp стає рівним Fyпp=1 і напруга на ключових елементах 1 і 2 зменшується до нуля. Відповідно до первинних обмоток дроселів 3 і 4 прикладається напруга джерела живлення 13 (Е) та конденсатора 5, що викликає підвищення струмів первинних обмоток дроселів 3 і 4. На цьому часовому відрізку напруга конденсатора 5 та струми первинних обмоток дроселів 3 і 4 змінюються, як: E   i W 1DP1  L t DP1  C1  sin( L DP2 C1 t ) . (2) i W 1DP1  UC1 [0]  L DP2  u C1  UC1 [0]  cos( L DP2 C1 t )   В момент часу t=t1 струм первинної обмотки дроселя 3 досягає значення струму навантаження Ін, струм дроселя 3 обмежується і напруга на первинній обмотці 3.1 знижується до нуля. В момент часу t=t2 напруга на конденсаторі 5 зменшується до нуля, а струм первинної обмотки 3.1 дроселя 3 замикається через діод 10 (VD5) і дорівнює: IW1DP1  UC1 [0]  35 40 45 C1 . (3) L DP2 Значення струмів первинних обмоток 3.1 та 4.1 зберігається до закінчення стадії провідного стану перемикаючого елемента потужного інвертора. Таким чином, на стадії переходу ключових елементів 1 та 2 до повідного стану швидкість наростання струмів в них обмежена, що визначає зниження миттєвої потужності на ключових елементах та формування безпечної траєкторії перемикань. В момент часу t=t3 змінюється сигнал управління перемикаючим елементом потужного інвертора 17 та ключові елементи 1 та 2 переходять у непровідний стан. Початкові умови для непровідного стану перемикаючого елемента 17: струм первинної обмотки 3.1 дроселя 3 дорівнює Ін, струм первинної обмотки 4.1 дроселя 4 визначається виразом (3), а напруга на конденсаторі 5 дорівнює нулю. Струм первинної обмотки 3.1 дроселя 3 замикається через діод 9 (VD4) та конденсатор 5, що обмежує напругу на ключовому елементі 1, а швидкість наростання напруги на ключовому елементі 1 визначається, як: u C1  IH ( t  t3) . (4) C 2 UA 110682 C2 5 Цей процес супроводжується підвищенням напруги на вторинній обмотці 3.2 дроселя 3 і, при досягненні напругою значення Е відкривається діод 7 (VD1), зменшується до нуля струм первинної обмотки 3.1 дроселя 3 і енергія, накопичена дроселем 3 передається у джерело 13. При цьому напруга на ключовому елементі 1 визначається виразом (1). Проміжок часу заряду конденсатора 5 визначається як: t 4  t3  E 10 w1ДР1  C1  1   . (5) IH  w 2 ДР1    В момент часу t=t3 виключення другого ключового елемента 2 супроводжується сплеском напруги на ньому, що пов'язано з неідеальним магнітним зв'язком між обмотками додаткового дроселя 4. Величина сплеску обмежується на рівні Umax=E+UcT, а після зниження до нуля струму первинної обмотки 4.1 другого дроселя 4 енергія, накопичена другим дроселем 4 передається у джерело 13. Тривалість розряду дроселів 3 та 4 визначається, як: L DP1IH w 2DP1   t5  t 4  w1 E  DP1 . (6)  L DP2I W 1DP2 w 2DP2 t 6  t 3   w1DP2 E  15 Таким чином, за рахунок наростання напруги на ключових елементах 1 та 2 зменшується миттєва потужність та формується безпечна траєкторія перемикань. В момент часу t=t7 виникає зміна сигналу управління і процеси повторюються. Епюри струмів та напруг у потужному інверторі (Е=700В, Ін=50А) при LDP1=14 мкГн, w2DP1/w1DPI=1/7, LDP2=600 мкГн, w2DP2/w1DP2=4/7, С1=62,5 нФ наведені на фігурі 3. Струм додаткового дроселя 4 складає приблизно 8А, а гарантована тривалість наростання струму та напруги ключового елемента 1 дорівнює 1 мкс. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Перемикаючий елемент потужного інвертора, що містить два ключових елементи, конденсатор, дросель з первинною обмоткою, та два діоди, у якого конденсатор одним виводом підключено до другого виводу першого ключового елемента, один вивід першого діода підключено до першого вивода першого ключового елемента, а інший вивід першого діоду до конденсатора, який відрізняється тим, що містить два додаткових виводи для підключення до джерела живлення, стабілітрон, три додаткові діоди, додатковий конденсатор і додатковий дросель з первинною обмоткою, обидва дроселі мають вторинні обмотки, які через перший та другий додаткові діоди, підключені до додаткових виводів, первинна обмотка додаткового дроселя та другий ключовий елемент з'єднані послідовно, де другий ключовий елемент першим виводом підключено до другого виводу первинної обмотки додаткового дроселя, а точка їх з'єднання, через третій додатковий діод і стабілітрон, підключена до першого додаткового виводу, паралельно з конденсатором підключено другий діод. 3 UA 110682 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4