CS275921B6 - Rezonanční měnič - Google Patents

Abstract

Zapojení obsahuje napájecí zdroj (1), transformátor (2) s primárním vinutím (21) a sekundárním vinutím (22), spínač (3), rezonanční indukčnost (4), usměrňovači diodu (5).,. rezonanční kondenzátor (é), reku- -recní diodu(7), filtrační indukčnost (8), filtrační kondenzátor (9), zátěž (10), nabíjecí diodu (11) a vybíjecí diodu (12).

Description

Vynález se týká konkrétní realizace rezonančního typu měniče ze vstupního stejnosměrného napětí na požadované stejnosměrné výstupní napětí.

Použití rezonančních měničů minimalizuje impulsní ztráty na spínacích prvcích, kte ré spínají a rozpínají při nulovém proudu nebo napětí. To dovoluje realizovat měniče s vysokou pracovní frekvencí při zachování vysoké účinnosti. Výhodou těchto měničů je malý objem a nízká hmotnost, Nevýhodou známých zapojení rezonančních měničů pracujících s vysokou frekvencí je velký vliv parazitních prvků obvodu na činnost i parametry měniče. Parazitní prvky výrazně snižují maximální hodnotu výstupního zatěžovacího proudu měniče.

Nepříznivý vliv těchto parazitních prvků odstraňuje rezonanční měnič podle vynálezu, v němž první vývod napájecího zdroje je spojen se začátkem primárního vinutí transformátoru, kde konec primárního vinutí transformátoru je spojen s prvním vývodem spínače, jehož druhý vývod je spojen s druhým vývodem napájecího zdroje, kde začátek sekundárního vinutí transformátoru je spojen s prvním vývodem rezonanční indukčnost, přičemž katoda rekuperační diody je spojena s prvním vývodem filtrační indukčnosti, jejíž druhý vývod je spojen s prvním vývodem filtračního kondenzátoru a s prvním vývodem zátěže, jejíž druhý vývod je spojen s druhým vývodem filtračního kondenzátoru, s anodou rekuperační diody, s druhým vývodem rezonančního kondenzátoru a s koncem sekundárního vinutí transformátoru, jehož podstatou je, že druhý vývod rezonanční indukčnosti je spojen s anodou usměrňovači diody a s anodou nabíjecí diody, jejíž katoda je spojena s prvním vývodem rezonančního kondenzátoru á s anodou vybíjecí diody, jejíž katoda je spojena s katodou usměrňovači diody a s katodou rekuperační diody.

Rezonanční měnič podle vynálezu odstraňuje nepříznivý vliv některých parazitních prvků obvodu na činnost a parametry měniče. Umožňuje dosáhnout vyšší hodnoty maximálního výstupního zatěžovacího proudu měniče. Zapojení potlačuje nežádocuí kmitání některých proudových i napěťových průběhů v obvodu měniče, čímž jsou žároveň i sníženy výkonové ztráty na některých prvcích. Dále jsou i sníženy nároky kladné na konstrukční uspořádání i technologické provedení celého měniče a na kvalitu použitých součástek.

Rezonanční měnič podle vynálezu bude popsán pomocí obrázků 1 a 2. Na obrázku 1 je známé zapojení jednoho typu rezonančního měniče, na obrázku 2 je příklad zapojení rezonančního měniče podle vynálezu.

V obrázku 1 je první vývod IQlnapájecího zdroje £ spojen se začátkem primárního vinutí 21 transformátoru £. Konec primárního vinutí 21 transformátoru 2 je spojen s prvním vývodem spínače £, jehož druhý vývod je spojen s druhým vývodem 102 napájecího zdroje £. Začátek sekundárního vinutí 2£ transformátoru 1 je spojen s prvním vývodem rezonanční indukčnosti 4. Její druhý vývod je spojen s anodou usměrňovači diody 5. Její katoda je spojena s prvním vývodem rezonančního kondenzátoru 6, s katodou rekuperační diody 7 a s prvním vývodem filtrační indukčnosti 8. Její druhý vývod je spojen s prvním vývodem filtračního kondenzátoru 9 a s prvním vývodem zátěže 10. Její druhý vývod je spojen s druhým vývodem filtračního kondenzátoru 9, s anodou rekuperační diody 7, s druhým vývodem rezonančního kondenzátoru 6 a s koncem sekundárního vinutí 22 transformátoru 2, .

Funkce obvodu podle obrázku 1 je následující. Jedná se o jednočinný propustný typ rezonančního měniče s nespojitou funkcí, to jest kvazirezonanční měnič s paralelní rezonancí se spínáním a rozpínáním spínače 3 při nulovém proudu s oddělivacím transformá torem 2 . Rezonanční obvod je tvořen rezonanční indukčností 4 a rezonančním kondenzátorem 6^, zapojenými na sekundární straně měniče. Ve funkci spínače 2 j^e použito například výkonového tranzistoru MBS.

Činnost obvodu probíhá ve čtyřech etapách. Před zahájením první etapy je spínač 3 rozepnut. Proud do zátěže 10 teče z filtrační indukčností 2 ^a uzavírá se přes otevřenou rekuperační diodu 2· Napětí na rezonančním kondenzátoru 2 J^e prakticky nulové. První etapa je zahájena sepnutím spínače 2· Tím J^{e na} sekundárním vinutí 22 transformátoru 2 vytvořen kladný impuls, který způsobí pozvolný lineární nárůst proudu rezonanční indukčností 4 . K sepnutí spínače 2 došlo při prakticky nulové hodnotě proudu. V okamžiku, kdy proud přes rezonanční indukčnost 2 dosáhne hodnoty výstupního proudu do zátěže 10, dojde k zavření rekuperační diody 2·

Nastává druhá etapa činnosti rezonančního měniče, kdy se působením rezonančního obvodu tvaruje sinusový průběh proudu rezonanční indukčností 2 ^a zároveň se nabijí rezonanční kondenzátor 6. V okamžiku, kdy dojde k poklesu proudu rezonanční indukčností 2 na nulovou hodnotu, dojde k rozepnutí spínače 2· K jeho rozepnutí dochází při prakticky nulové hodnotě proudu, to jest bezeztrátově.

Následuje třetí etapa činnosti měniče, kdy je rezonanční kondenzátor 2 vybíjen proudem výstupní zátěže 10 přes filtrační indukčnost 2· Tato etapa je ukončena poklesem napětí rezonančního kondenzátoru 2 na nulovou hodnotu.

V tom okamžiku se otevře rekuperační dioda 2 ^a následuje etapa rekuperace. Okamžik znovusepnutí spínače 2 ^a tím i zahájení dalšího cyklu činnosti je nastaven zpětnovazebním obvodem měniče vhodně tak, aby střední hodnota impulsních průběhů na vstupu výstupního filtru, který je tvořen filtrační indukčností 2 ^a filtračním kondenzátorem 2; byla rovna požadovanému výstupnímu napětí měniče. Regulace výstupního napětí se uskutečňuje změnou opakovači frekvence spínání spínače 2Funkce obvodu se nezmění, jestliže rezonanční indukčnost 4 J^e zapojena v sérii s primárním vinutím 22 transformátoru 2. V případě vysoké pracovní frekvence může být rezonanční indukčnost 2 ^s výhodou realizována rozptylovou indukčností transformátoru 2_.

Nezbytnou podmínkou, aby k vypínání spínače 2 docházelo při nulové hodnotě proudu, je, aby výstupní zatěžovací proud měniče I₂ byl menší nebo nanejvýše roven hodnotě ^2MAX ⁼ ^^^0’ U je amplituda kladného impulsu na sekundárním vinutí 22 transformátoru 2 ^a Zq = Vlg/Cg je charakteristická impedance rezonančního obvodu. Lg je indukčnost rezonanční indukčností 2 ³ Cg je kapacita rezonančního kondenzátoru 6.

Při vysokých pracovních frekvencích měničů v rozsahu stovek kolihertz až jednotek megahertz se však ukazuje, že hodnota maximálního zatěžovacího proudu je silně redukována působením některých parazitních prvků obvodu měniče. Zvláště nepříznivý vliv má na sériová parazitní indukčnost rezonančního kondenzátoru 2 ^a parazitní indukčnost rekuperační diody 2· Tyto prvky spolu s rezonančním kondenzátorem 2 vytváří parazitní rezonanční obvod, který nepříznivě ovlivňuje činnost celého měniče. Kromě výrazného snížení hodnoty ^HAX ^zP$^s°bi parazitní prvky i silné rozkmitání proudových i napěEových průběhů v měniči, což kromě zvýšení rušení přináší i zvětšení výkonových ztrát na silových prvcích měniče, nebol se zvyšuje efektivní hodnota proudů pres tyto prvky. Rozkmitání průběhu má nepříznivý vliv i na zpětnovazební stabilitu měniče. Potřeba snížit uvedené parazitní prvky na minimální hodnotu klade vysoké nároky na technologické a kon strukční provedení celého měniče i na kvalitu použitých prvků. Potřebné technologie i prvky jsou drahé a obtížně dostupné.

Na obrátku 2 je příklad uspořádání rezonančního měniče podle vynálezu, kde první vývod 101 napájecího zdroje £ je spojen se začátkem primárního vinutí 2£ transformátoru 2. Konec primárního vinutí 21 transformátoru 2 je spojen s prvním vývodem spínače 3, jehož druhý vývod je spojen s druhým vývodem 102 napájecího zdroje £. Začátek sekundárního vinutí 22 transformátoru 2 je spojen s prvním vývodem rezonanční indukčnosti £. Její druhý vývod je spojen s anodou nabíjecí diody 11 a s anodou usměrňovači diody_5 Její katoda je spojena s katodou vybíjecí diody £2, s katodou rekuperační diody £ a s prvním vývodem filtrační indukčnosti 8. Její druhý vývod je spojen s prvním vývodem filtračního kondenzátoru 9 a s prvním vývodem zátěže £0. Její druhý vývod je spojen s druhým vývodem filtračního kondenzátoru 9, s anodou rekuperační diody 7, s druhým vývodem rezonančního ,k°ⁿdenzátoru £ a s koncem sekundárního vinutí 22 transformátoru £. Katoda nabíjecí diody ££ je spojena s prvním vývodem rezonančního kondenzátoru £ a s anodou vybíjecí diody 12.

Činnost rezonančního měniče podle obrázku 2 opět probíhá ve čtyřech etapách. V první etapě po sepnutí spínače £ dochází k nárůstu proudu rezonanční indukčnosti £ přes otevřenou usměrňovači diodu £. Zároveň je zahájeno i nabíjení rezonančního kondenzátoru 6_ přes otevřenou nabíjecí diodu ££. V této první etapě je ještě otevřena rekuperační dioda £. V okamžiku, kdy proud přes usměrňovači diodu £ dosáhne hodnoty výstupního proudu měniče, dojde k zavření rekuperační diody £ a následuje rezonanční fáze činnosti měniče.

V této době dochází přes nabíjecí diodu ££ k vytvoření sinusového průběhu proudu do rezonančního kondenzátoru £. V okamžiku zániku proudu přes rezonanční indukčnost £ dojde k rozepnutí spínače £ a zároveň i k zavření usměrňovači diody £ a nabíjecí diody ££.

Ve třetí etapě činnosti dochází k vybíjení rezonančního kondenzátoru £ přes otevřenou vybíjecí diodu 12 konstantním proudem, který odpovídá výstupnímu zatěžovacímu proudu měniče. V okamžiku, kdy dojde k vybiti rezonančního kondenzátoru £, otevře se rekuperační dioda £ a následuje etapa rekuperace.

Působením parazitní indukčnosti rezonančního kondenzátoru £ a parazitní indukčnosti v obvodu rekuperační diody £ dojde k nabití rezonančního kondenzátoru £ na zápornou hodnotu napětí. Velikost napětí závisí na velikosti obou parazitních indukčnosti, na hodnotě kapacity rezonančního kondenzátoru £ a na velikosti výstupního proudu měniče. Záporným napětím vytvořeným na rezonančním kondenzátoru £ dojde k zavření vybíjecí diody £2. Tím je v době rekuperace obvod rezonančního kondenzátoru £ odpojen od obvodu rekuperační diody 7 a nedojde tedy k vytvoření parazitního rezonančního obvodu. Nabíjecí dioda 11 a vybíjecí dioda 12 oddělují obvod rezonančního kondenzátoru á od výstupního obvodu měniče. Tím je zabráněno rozkmitáni proudových i napěťových průběhů v obvodu měniče. Záporné napětí na rezonančním kondenzátoru £, které je zachováno až do zahájení dalšího cyklu činnosti, představuje nenulovou počáteční podmínku, zajišťující dosažení vyšší hodnoty maximálního zatěžovacího proudu I₂MAX ^{než u měniee} P°dle obrázku 1. Kromě toho je. celkový proud tekoucí přes rezonanční indukčnost £ definovaně rozdělen na část tekoucí přes usměrňovači diodu £ a přes nabíjecí diodu ££. To zároveň s nerozkmitanými průběhy přispívá i k vyšší účinnosti měniče.

CS 275921 06

U rezonančních měničů s vyšším výstupním napětím, kde je úbytek napětí na nabíjecí diodě 11 a vybíjecí diodě 12 v propustném směru zanedbatelný proti hodnotě výstupního napětí, lze usměrňovači diodu £ vypustit.

Řešení obvodu podle obrázku 2 lze použít u všech typů propustných rezonančních měničů s jednoěinným nebo s dvojčinném měničem s transformátorem nebo bez transformátoru. Rezonanční indukčnost 4 může být přitom zapojena v sekundární části měniče, nebo v primární části měniče, nebo může být nahrazena rozptylovou indukčností transformátoru £.

Rezonanční měnič podle vynálezu je vhodný pro realizaci měničů s vysokou pracovní frekvencí. Snižuje požadavky na konstrukční provedení měniče i na kvalitu použitých součástek.

Claims (1)

1. PATENTOVĚ NÁROKY

   Rezonanční měnič, v němž první vývod napájecího zdroje je spojen se začátkem primárního vinutí transformátoru, kde konec primárního vinutí transformátoru je spojen s prvním vývodem spínače, jehož druhý vývod je spojen s druhým vývodem napájecího zdroje, kde začátek sekundárního vinutí transformátoru je spojen s prvním vývodem rezonanční . indukčností, přičemž katoda rekuperační diody je spojena s prvním vývodem filtrační indukčností, jejíž druhý vývod je spojen s prvním vývodem filtračního kondenzátoru a, s prvním vývodem zátěže, jejíž druhý vývod je spojen s druhým vývodem filtračního kondenzátoru, s anodou rekuperační diody, s druhým vývodem rezonančního kondenzátoru a s koncem sekundárního vinutí transformátoru, vyznačený tím, že druhý vývod rezonanční indukčnosti (4) je spojen s anodou usměrňovači diody (5) a s anodou nabíjecí diody (11), jejíž katoda je spojena s prvním vývodem rezonančního kondenzátoru (6) a s anodou vybíjecí diody (12), jejíž katoda je spojena s katodou usměrňovači diody (5) a s katodou rekuperační diody (7). .