PL237053B1 - Efektywny przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach i dużym wzmocnieniu - Google Patents

Abstract

Przekształtnik rezonansowy DC-DC ma połączone równolegle komórki i zawiera półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne. Wyjście stanowią kondensator górny i kondensator dolny. Ponadto za ostatnią komórką w szynie dodatniej wyjścia (14) włączony jest łącznik wyjściowy górny (6). W szynie ujemnej wejścia (13) włączony jest łącznik pomocniczy (7) połączony z punktem środkowym (17), a pomiędzy szyną ujemną wejścia i ujemnym biegunem kondensatora wyjściowego dolnego (11), włączony jest łącznik wyjściowy dolny (9). Od strony wejścia ma co najmniej jeden zespół komórek złożony z komórki pierwszego i drugiego rodzaju a na wyjściu jako ostatnią ma komórkę trzeciego rodzaju. Komórka pierwszego rodzaju (I) składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne (1; 4a) i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący (5) dołączonych wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny (3) do szyny środkowej (16) za łącznikiem pomocniczym (7) w punkcie środkowym (17). Komórkę drugiego rodzaju stanowi gałąź z elementami pasywnymi (1; 4b) dołączona bezpośrednio do szyny ujemnej wejścia (13), przed łącznikiem pomocniczym (7). Komórka trzeciego rodzaju składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne (1; 4c) i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący (5) dołączonych wspólnie poprzez łącznik sterowalny (8) do szyny środkowej (16). Przekształtnik ma ponadto w szynie dodatniej wejścia (12), pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju, łączniki ładujące górne pierwsze (2a), pomiędzy gałęziami komórki pierwszego i drugiego rodzaju łączniki ładujące górne drugie (2b), zaś pomiędzy gałęziami komórki trzeciego rodzaju ma łącznik ładujący górny trzeci (2c).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest efektywny przekształtnik DC-DC o przełączanych kondensatorach, o dużym wzmocnieniu napięciowym. Rozwiązaniem jest topologia układu do przekształcania energii elektrycznej o zredukowanej liczbie elementów półprzewodnikowych, w stosunku do znanych rozwiązań.

Znane są przekształtniki rezonansowe DC-DC składające się z elementów półprzewodnikowych oraz pasywnych, które umożliwiają przekształcanie energii przez ładowanie i rozładowanie kondensatorów w obwodach konfigurowanych przez łączniki półprzewodnikowe.

Z opisu patentowego PL 225082 znany jest sposób sterowania rezonansowego przekształtnika DC-DC o przełączanych kondensatorach, złożonego z komórek, w których znajduje się kondensator i łączniki półprzewodnikowe umożliwiające wzajemne łączenie komórek szeregowe lub równoległe ze źródłem, w cyklach ładowania kondensatorów lub zasilania odbiornika. Według opisanego sposobu wybiera się komórki aktywne w liczbie niezbędnej do uzyskania wymaganego napięcia wyjściowego i w cyklu ładowania, w każdej z komórek aktywnych, za pomocą łącznika ładowania górnego przełącza się kondensator tak, iż ładuje się on ze źródła napięcia zasilania. Następnie, w cyklu rozładowania, za pomocą łącznika rozładowania, łączy się kondensatory komórek aktywnych szeregowo ze źródłem napięcia zasilania i doładowuje się kondensator wyjściowy, natomiast nie przełącza się kondensatorów w komórkach nie aktywnych. Na komórki aktywne wybiera się komórki od strony wyjścia przekształtnika.

Z opisu EP 0257810A2 znany jest układ DC-DC w topologii powielacza napięcia złożony z kondensatorów i łączników. W układzie można wyróżnić stopnie, przy czym każdy stopień układu wykorzystuje trzy lub cztery łączniki i jeden kondensator. Kondensatory ładowane są ze źródła przez załączenie odpowiednich łączników w istniejących stopniach i mogą następnie zostać dołączone do wyjścia układu, co zapewnia, wartość napięcia wyjściowego większą od napięcia wejściowego według współczynnika proporcji, który zawiera liczbę przełączanych kondensatorów podniesioną o jeden.

Z opisu wynalazku P.421657 znany jest przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach, który ma co najmniej dwie komórki połączone równolegle złożone z szeregowo połączonego łącznika ładującego górnego, kondensatora przełączanego, łącznika ładującego dolnego i z łącznika rozładowującego włączonego pomiędzy komórkami. Na wyjściu ma łącznik wyjściowy górny i kondensator wyjściowy górny, stanowiący wyjście znanego układu. Ponadto w gałęzi ujemnego bieguna napięcia wejściowego, pomiędzy łącznikiem ładującym dolnym przedostatniej komórki a łącznikiem ładującym dolnym ostatniej komórki, włączony jest łącznik pomocniczy, a pomiędzy ujemnym biegunem napięcia wejściowego i ujemnym biegunem kondensatora wyjściowego dolnego włączona jest dioda dolnego obwodu wyjściowego. Zaciski kondensatora wyjściowego dolnego są wyjściem napięciowym dolnym i wraz z zaciskami kondensatora wyjściowego górnego, będącego wyjściem napięciowym górnym, stanowią wyjście napięciowe przekształtnika rezonansowego.

Celem rozwiązania jest uzyskanie zmniejszenia liczby łączników półprzewodnikowych w układzie przekształtnika energii elektrycznej podwyższającego napięcie. Innowacyjność polega na opracowaniu takiego układu, że uzyskuje się większe wzmocnienie napięciowe niż w przypadku znanej topologii przekształtnika przy porównywalnej liczbie zastosowanych elementów lub uzyskuje się wymagane wzmocnienie napięciowe przy mniejszej liczbie zastosowanych elementów.

Przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach, wg wynalazku, ma połączone równolegle komórki zawierające półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne. Wyjście stanowią kondensator górny i kondensator dolny, mające wspólny punkt środkowy. Ponadto za ostatnią komórką w szynie dodatniej wyjścia włączony jest łącznik wyjściowy górny. W szynie ujemnej wejścia i połączony z punktem środkowym, włączony jest łącznik pomocniczy, a pomiędzy szyną ujemną wejścia i ujemnym biegunem kondensatora wyjściowego dolnego, zarazem szynie ujemnej wyjścia przekładnika, włączony jest łącznik wyjściowy dolny. Istotą rozwiązania jest to, że od strony wejścia ma co najmniej jeden zespół komórek złożony z komórki pierwszego i drugiego rodzaju a na wyjściu, jako ostatnią, ma komórkę trzeciego rodzaju. Komórka pierwszego rodzaju składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący, dołączonych wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny do szyny środkowej za łącznikiem pomocniczym, w punkcie środkowym. Komórkę drugiego rodzaju stanowi gałąź z elementami pasywnymi dołączona bezpośrednio do szyny ujemnej wejścia, przed łącznikiem pomocniczym. Komórka trzeciego rodzaju składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne i z gałęzi zawierającej łącznik rozłado

PL 237 053 B1 wujący, dołączonych wspólnie poprzez łącznik sterowalny do szyny środkowej. Ponadto przekształtnik w szynie dodatniej wejścia, ma pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju łączniki ładujące górne pierwsze, pomiędzy gałęziami komórki pierwszego i drugiego rodzaju łączniki ładujące górne drugie, zaś pomiędzy gałęziami komórki trzeciego rodzaju ma łącznik ładujący górny trzeci.

Układ umożliwia przekształcanie energii przez cykliczne ładowanie i rozładowanie kondensatorów przełączanych w obwodach konfigurowanych za pomocą łączników półprzewodnikowych. W cyklu ładowania kondensatorów przełączanych prąd płynie ze źródła przez kondensatory przełączane i połączone z nimi łączniki ładujące górne oraz łączniki ładujące dolne oraz, odpowiednio, łącznik sterowalny, a także łącznik pomocniczy. W cyklu ich rozładowywania za pomocą łączników powoduje się ładowanie kondensatorów wyjściowych górnego i dolnego, ale również ładowanie kondensatorów w komórkach drugiego rodzaju z kondensatorów w komórkach drugiego rodzaju znajdujących się w komórkach bliżej źródła połączonych szeregowo z kondensatorem w komórce pierwszego rodzaju, a także ładowanie kondensatora w komórce drugiego rodzaju, znajdującej się najbliżej źródła, ze źródła połączonego szeregowo z kondensatorem w komórce pierwszego rodzaju.

Przełączenia łączników półprzewodnikowych, zastosowanych do sterowania przekształtnika realizowane są z opóźnieniem wymaganym dla zastosowanych elementów półprzewodnikowych. Dotyczy to zwłaszcza łączników rozładowujących oraz łączników ładujących górnych i łączników ładujących dolnych.

W proponowanym rozwiązaniu uzyskano redukcję liczby niezbędnych elementów do realizacji przekształtnika energii elektrycznej, co zwłaszcza przy dużej liczbie gałęzi w układzie, znacznie obniża jego koszt. Przykładowo w układzie o wzmocnieniu napięciowym równym 7, proponowany w niniejszym zgłoszeniu wynalazek umożliwia redukcję liczby niezbędnych tranzystorów z 7 na 4, co jest istotną korzyścią w stosunku do znanego rozwiązania.

Przekształtnik rezonansowy DC-DC w przykładowym rozwiązaniu przedstawiono na rysunku. Fig. 1 jest schematem blokowym układu, a fig. 2-4 są schematami ideowymi objaśniającymi sposób sterowania przekształtnika. Na kolejnych figurach przedstawiono w uproszczeniu porównanie topologii układu znanego ze stanu techniki - fig. 5, z topologią według wynalazku - fig. 6.

Przedstawiony na fig. 1 przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach ma zaciski napięcia wejściowego Uin o napięcia wyjściowego Uout na połączonych szeregowo kondensatorach, górnym 10 i dolnym 11, które mają wspólny punkt środkowy 17. Pomiędzy szynami są dołączone równolegle komórki zawierające półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz półprzewodnikowe elementy pasywne. Za ostatnią komórką w szynie dodatniej wyjścia 14 włączony jest łącznik wyjściowy górny 6. W szynie ujemnej wejścia 13 i połączony z punktem środkowym 17, włączony jest łącznik pomocniczy 7, a pomiędzy szyną ujemną wejścia i ujemnym biegunem kondensatora wyjściowego dolnego 11, zarazem szynie ujemnej wyjścia 15 przekładnika, włączony jest łącznik wyjściowy dolny 9. Od strony wejścia przekształtnik ma dwa zespoły komórek złożone z komórki pierwszego i drugiego rodzaju, a na wyjściu jako ostatnią ma komórkę trzeciego rodzaju. Komórka pierwszego rodzaju I składa się z gałęzi zawierającej połączone szeregowo dławik 1 i kondensator pierwszy 4a i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący 5, dołączonych wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny 3 do szyny środkowej 16, za łącznikiem pomocniczym 7 w punkcie środkowym 17. Komórkę drugiego rodzaju II stanowi gałąź zawierająca szeregowo połączony dławik 1 i kondensator drugi 4b, dołączona bezpośrednio do szyny ujemnej wejścia 13, przed łącznikiem pomocniczym 7. Komórka trzeciego rodzaju III składa się z gałęzi zawierającej szeregowo połączony dławik 1 i kondensator trzeci 4c i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący 5, dołączonych wspólnie poprzez łącznik sterowalny 8 do szyny środkowej 16. Przekształtnik ponadto w szynie dodatniej wejścia 12, ma pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju łączniki ładujące górne pierwsze 2a, pomiędzy gałęziami komórki pierwszego i drugiego rodzaju łączniki ładujące górne drugie 2b, zaś pomiędzy gałęziami komórki trzeciego rodzaju ma łącznik ładujący górny trzeci 2c. Zaciski kondensatora wyjściowego górnego 10 są wyjściem napięciowym górnym Uout1 i wraz z zaciskami kondensatora wyjściowego dolnego 11, będącymi wyjściem napięciowym dolnym Uout2, stanowią wyjście napięciowe Uout przekształtnika rezonansowego. Napięcie wyjściowe Uout jest sumą napięć na kondensatorach wyjściowych.

Na figurach 2-4 pokazano układ złożony z zespołu komórki pierwszego i drugiego rodzaju oraz komórki trzeciego rodzaju.

Kondensatory przełączane 4a przekształtnika są ładowane ze źródła dołączonego do wejścia układu Uin, lub przez kondensatory 4b znajdujące się bliżej źródła, przez dławiki 1 po załączaniu łącz

PL 237 053 Β1 ników półprzewodnikowych 7, oraz 2a, 3 i 8. Kondensatory przełączane 4b przekształtnika są ładowane przez kondensatory 4a znajdujące się bliżej źródła, przez dławiki 1 po załączaniu łączników półprzewodnikowych 5 oraz 2b. Kondensator wyjściowy górny 10 ładowany jest w cyklu kiedy załączone są łączniki 7, oraz 5 i 2c. Kondensator wyjściowy dolny 11 ładowany jest w cyklu, kiedy załączone są łączniki 7 oraz 2a. Całkowite napięcie wyjściowe U_out jest sumą napięcia Uouti na kondensatorze wyjściowym górnym 10 i napięcia U_out2 na kondensatorze wyjściowym dolnym 11.

W tabeli poniższej pokazano zastosowane w przykładzie wykonania elementy i zmierzone napięcia oraz elementy zastępcze.

ozna ozenie	nazwa w opisie	zastosowany element	inne możliwe elementy
1	element o charakterze indukcyjnym	dławiki o indukcyjności np. kilku mikrohenrów
2a 2b 2c 3	łącznik ładujący górny pierwszy łącznik ładujący górny drugi łącznik ładujący górny trzeci łącznik ładujący dolny	dioda szybka	tranzystor lub tyrystor
4a 4b 4c	kondensator przełączany pierwszy kondensator przełączany drugi kondensator przełączany trzeci	kondensatory foliowe	kondensatory ceramiczne
6	łącznik wyjściowy górny	dioda szybka
5 7 8	łącznik rozładowujący łącznik pomocniczy łącznik sterowalny	tranzystory MOSFET	tranzystor IGBT, SiC, GaN, tyrystor,
9	łącznik wyjściowy dolny	dioda szybka
10 11	kondensator wyjściowy górny kondensator wyjściowy dolny	foliowe i elektrolityczne	kondensatory ceramiczne
Urn	napięcie stałe o wartości 50 V
Uout	napięcie stałe o wartości ok. 350 V

Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach i dużym wzmocnieniu ma w znanym układzie połączone równolegle komórki zawierające półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne, gdzie w szczególności wyjście stanowią kondensator górny i kondensator dolny, mające wspólny punkt środkowy, za ostatnią

PL 237 053 B1 komórką w szynie dodatniej wyjścia włączony jest łącznik wyjściowy górny, w szynie ujemnej wejścia włączony jest łącznik pomocniczy, połączony z punktem środkowym, pomiędzy szyną ujemną wejścia i ujemnym biegunem kondensatora wyjściowego dolnego, zarazem szynie ujemnej wyjścia przekładnika, włączony jest łącznik wyjściowy dolny, znamienny tym, że od strony wejścia ma co najmniej jeden zespół komórek złożony z komórki pierwszego i drugiego rodzaju a na wyjściu jako ostatnią ma komórkę trzeciego rodzaju, przy czym komórka pierwszego rodzaju (I) składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne (1; 4a) i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący (5), dołączonych wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny (3) do szyny środkowej (16) za łącznikiem pomocniczym (7), komórkę drugiego rodzaju (II) stanowi gałąź z elementami pasywnymi (1; 4b) dołączona bezpośrednio do szyny ujemnej wejścia (13), natomiast komórka trzeciego rodzaju (III) składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne (1; 4c) i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący (5), dołączone wspólnie poprzez łącznik sterowalny (8) do szyny środkowej (16), ponadto w szynie dodatniej wejścia (12) ma, pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju, łączniki ładujące górne pierwsze (2a), pomiędzy gałęziami komórki pierwszego i drugiego rodzaju łączniki ładujące górne drugie (2b), zaś pomiędzy gałęziami komórki trzeciego rodzaju ma łącznik ładujący górny trzeci (2c).