PL239302B1

PL239302B1 - Przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach i zredukowanej liczbie aktywnych łączników

Info

Publication number: PL239302B1
Application number: PL427583A
Authority: PL
Inventors: Robert Stala
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2021-11-22
Also published as: PL427583A1

Abstract

Przekształtnik rezonansowy DC-DC ma połączone równolegle komórki, które zawierają półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne. Ostatnia gałąź zawiera jeden kondensator wyjściowy (7), a w szynie dodatniej, przed gałęzią kondensatora wyjściowego włączony jest łącznik wyjściowy (2c). Od strony wejścia ma co najmniej jeden zespół złożony z komórki pierwszego rodzaju (I) i komórki drugiego rodzaju (II), a na wyjściu jako ostatnią ma komórkę pierwszego rodzaju (I). Komórka pierwszego (I) rodzaju składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne (1; 4a) i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący (5) dołączone wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny (3) do szyny pośredniej (10). Komórka drugiego rodzaju (II) ma gałąź z elementami pasywnymi (1; 4b) dołączoną bezpośrednio do szyny ujemnej (9). Ponadto w szynie dodatniej (8) pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju (I) przekształtnik ma łączniki ładujące górne pierwsze (2a) a przed komórką drugiego rodzaju ma łączniki ładujące górne drugie (2b). Pomiędzy szyną pośrednią (10) a szyną ujemną (9) włączony jest łącznik pośredni (6), natomiast kondensator wyjściowy (7) włączony jest pomiędzy szynę dodatnią (8) i szynę ujemną (9). Elementami pasywnymi w gałęzi komórki pierwszego rodzaju (I) jest element o charakterze indukcyjnym (1) oraz kondensator przełączany pierwszy (4a). Elementami pasywnymi w gałęzi komórki drugiego rodzaju (II) jest element o charakterze indukcyjnym (1) oraz kondensator przełączany drugi (4b). Możliwe jest też, że w każdej komórce pierwszego rodzaju (I) łącznik ładujący dolny (3) zastąpiony jest łącznikiem pośrednim pierwszym i dołączony jest bezpośrednio do szyny ujemnej (9), a usunięty jest łącznik pośredni (6) i szyna pośrednia (10).

Description

Przedmiotem wynalazku jest przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach, o zredukowanej liczbie aktywnych łączników. Rozwiązaniem jest topologia układu do przekształcania energii elektrycznej ze źródła o napięciu i prądzie stałym na energię o napięciu i prądzie stałym, projektowany dla szerokiego zakresu obciążeń i 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.

W fazie ładowania kondensatorów prąd płynie ze źródła przez przełączane kondensatory i połączone z nimi łączniki półprzewodnikowe, a w fazie rozładowania przełączanych kondensatorów prąd płynie ze źródła przez szeregowo połączone kondensatory przełączane oraz obwód wyjściowy i łączniki półprzewodnikowe konfigurujące takie połączenie elementów.

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 wykor zystuje 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, będącym wyjściem napięciowym górnym, stanowią wyjście napięciowe przekształtnika rezonansowego.

Z opisu patentowego PL 225082 pod tytułem Sposób sterowania rezonansowego przekształtnika DCDC o przełączanych kondensatorach, znany jest układ złożony 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.

Znany jest też z opisu patentowego PL 227999 przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach. Składa się on z gałęzi, z których każda zawiera szeregowo połączony górny łącznik, kondensator przełączany i dolny łącznik przy czym górne łączniki są przyłączone do dodatniego bieguna, a dolne łączniki do ujemnego bieguna. Pomiędzy dodatnim biegunem a węzłem między kondensatorem przełączanym i dolnym łącznikiem w pierwszej gałęzi, ma włączony dławik i łącznik wejściowy. Pomiędzy węzłem między górnym łącznikiem i kondensatorem przełączanym w ostatniej gałęzi, a dodatnim biegunem ma włączony łącznik wyjściowy, za którym ma kondensator wyjściowy. Ponadto ma połączenie bezpośrednie galwaniczne węzła między górnym łącznikiem i kondensatorem przełączanym jednej gałęzi z węzłem między kondensatorem przełączanym i dolnym łącznikiem kolejnej gałęzi. Przekształtnik, równolegle do kondensatorów przełączanych ma dołączone diody skierowane katodą do węzła między kondensatorem przełączanym i łącznikiem górnym.

Celem rozwiązania jest uzyskanie przekształtnika energii elektrycznej podwyższającego napięcie, w którym wzmocnienie napięcia jest analogiczne jak w znanych rozwiązaniach, jednak przy wyk orzystaniu mniejszej liczby elementów półprzewodnikowych.

PL 239 302 B1

Przekształtnik rezonansowy DC-DC, według wynalazku, ma połączone równolegle komórki zawierające półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne. Wejście jest dołączane do źródła napięcia stałego, a napięcie wyjściowe odbierane na kondensatorze wyjściowym. W szynie dodatniej napięcia, przed gałęzią kondensatora wyjściowego włączony jest łącznik wyjściowy. Istotą układu jest to, że od strony wejścia ma co najmniej jeden zespół złożony z komórki pierwszego rodzaju i komórki drugiego rodzaju, a jako ostatnią ma komórkę pierwszego rodzaju. Komórka pierwszego rodzaju składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne, najkorzystniej szeregowo z dławikiem i kondensatorem, i z gałęzi zawierającej półprzewodnikowy łącznik rozładowujący, dołączone wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny do szyny pośredniej. Komórka drugiego rodzaju ma gałąź z elementami pasywnymi, najkorzystniej dławikiem i kondensatorem, dołączoną bezpośrednio do szyny ujemnej. Ponadto w szynie dodatniej pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju włączone są łączniki ładujące górne pierwsze. Przed komórką drugiego rodzaju czyli pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju i komórki drugiego rodzaju włączone są łączniki ładujące górne drugie. Pomiędzy szyną pośrednią a szyną ujemną włączony jest łącznik pośredni ładowania. Kondensator wyjściowy włączony jest pomiędzy szynę dodatnią i szynę ujemną napięcia.

Możliwym jest zastąpienie w komórkach pierwszego rodzaju łączników ładujących dolnych łącznikami pośrednimi pierwszymi i dołączenie każdego z nich bezpośrednio do szyny ujemnej, a usunięcie szyny pośredniej i łącznika pośredniego.

Układ, według wynalazku, umożliwia przekształcanie energii przez cykliczne ładowanie i rozładowanie kondensatorów przełączanych w obwodach konfigurowanych za pomocą łączników półprzewodnikowych. W cyklu ładowania kondensatorów przełączanych komórek pierwszego rodzaju prąd płynie ze źródła do komórki pierwszej od strony źródła, a do pozostałych kondensatorów komórek pierwszego rodzaju z kondensatorów poprzedzających je komórek drugiego rodzaju. Kondensator komórki drugiego rodzaju, najbliższej od strony źródła ładowany jest ze źródła połączonego szeregowo z kondensatorem pierwszej komórki pierwszego rodzaju. Kondensatory pozostałych komórek drugiego rodzaju oraz kondensator wyjściowy ładowane są z kondensatora poprzedniej komórki drugiego rodzaju połączonego szeregowo z kondensatorem poprzedniej komórki pierwszego rodzaju.

W proponowanym rozwiązaniu bardzo korzystna jest redukcja liczby niezbędnych elementów do realizacji przekształtnika energii elektrycznej, co zwłaszcza przy dużej ilości gałęzi w układzie, znaczn ie obniża jego koszt. Przykładowo w układzie o wzmocnieniu napięciowym równym 8, proponowany w niniejszym zgłoszeniu wynalazek umożliwia redukcję liczby niezbędnych tranzystorów z 8 na 4, co jest istotną korzyścią w stosunku do znanego rozwiązania.

Przekształtnik rezonansowy DC-DC w przykładowych rozwiązaniach przedstawiono na rysunku. Fig. 1 jest schematem blokowym układu w przykładzie 1. Fig. 2 jest schematem blokowym układu w przykładzie 2. Fig. 3 i 4 są schematami ideowymi objaśniającymi sposób sterowania przekształtnika.

P r z y k ł a d 1

Przekształtnik pomiędzy szyną dodatnią 8 i szyną ujemną 9 napięcia wejściowego, ma połączone równolegle komórki zawierające półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne. Wejście jest dołączane do źródła napięcia stałego uin, a napięcie wyjściowe uout odbierane jest na kondensatorze wyjściowym 7. W szynie dodatniej 8, przed gałęzią z kondensatorem wyjściowym 7 włączony jest łącznik wyjściowy 2c. Układ od strony wejścia ma jeden zespół złożony z komórki pierwszego rodzaju I i komórki drugiego rodzaju II, a jako ostatnią ma komórkę pierwszego rodzaju I. Komórka pierwszego rodzaju I składa się z gałęzi zawierającej jako elementy pasywne dławik 1 i kondensator przełączany pierwszy 4a, i z gałęzi zawierającej półprzewodnikowy łącznik rozładowujący 5 dołączone wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny 3 do szyny pośredniej 10. Komórka drugiego rodzaju II ma gałąź zawierającą dławik 1 i kondensator przełączany drugi 4b, dołączoną bezpośrednio do szyny ujemnej 9. Ponadto w szynie dodatniej 8 pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju I włączone są łączniki ładujące górne pierwsze 2a. Przed komórką drugiego rodzaju czyli pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju I i komórki drugiego rodzaju II, włączone są łączniki ładujące górne drugie 2b. Pomiędzy szyną pośrednią 10 a szyną ujemną 9 włączony jest łącznik pośredni 6 ładowania. Kondensator wyjściowy włączony jest pomiędzy szynę dodatnią 8 i szynę ujemną 9.

P r z y k ł a d 2

W tym przykładzie w komórkach pierwszego rodzaju I łączniki ładujące dolne 3 zastąpione zostały łącznikami pośrednimi pierwszymi 6” i połączone bezpośrednio do szyny ujemnej 9. Usunięta została szyna pośrednia 10 i łącznik pośredni 6.

PL 239 302 BI

Celem objaśnienia działania przekształtnika, według wynalazku, przedstawiono rozwiązanie, pokazane na fig. 3 i 4, w którym przekształtnik ma jeden zespół komórek pierwszego i drugiego rodzaju oraz jako ostatnią ma komórkę pierwszego rodzaju.

Ze źródła o napięciu stałym 50 V dołączonego do wejścia układu Uin, po załączaniu łączników półprzewodnikowych, pośredniego 6, ładujących górnych pierwszych 2a; oraz łączników ładujących dolnych 3, ładowane są kondensatory przełączane pierwsze 4a w komórkach pierwszego rodzaju I ze źródła w przypadku pierwszej komórki pierwszego rodzaju lub z kondensatora w komórce drugiego rodzaju II w przypadku drugiej komórki pierwszego rodzaju. Po zakończeniu ładowania kondensatorów przełączanych, wyłączany jest łącznik pośredni 6 oraz łączniki górne pierwsze 2 i łączniki ładujące dolne 3. Z opóźnieniem wymaganym dla zastosowanych elementów półprzewodnikowych załączane będą łączniki rozładowujące 5, oraz łącznik wyjściowy 2c. Od tego momentu może nastąpić rozładowanie połączonych szeregowo kondensatorów przełączanych pierwszych 4a w komórkach pierwszego rodzaju 1 i równoczesne ładowanie kondensatorów przełączanych drugich 4b w komórkach drugiego rodzaju II ze źródła napięcia wejściowego Uh oraz kondensatora wyjściowego 7. Napięcie wyjściowe układu jest zbliżone do wartości proporcjonalnej do 2ⁿ liczby przełączanych kondensatorów oraz napięcia wejściowego: L/Out = 2ⁿ Um. W tym przykładzie napięcie na wyjściu przekształtnika wyniesie około 200 V.

W tabeli poniższej pokazano zastosowane w przykładzie wykonania elementy i zmierzone napięcia. Elementy stosowane w innych wykonaniach, również według wynalazku, pokazano w ostatniej kolumnie tabeli.

oznaczenie	nazwa użyta w opisie	zastosowany element	inne możliwe elementy
1	element o charakterze indukcyjnym	dławiki o indukcyjności kilku mikrohenrów
2a 2b 2c 3	łącznik ładujący górny pierwszy łącznik ładujący gómy drugi łącznik wyjściowy łącznik ładujący dolny	dioda szybka	tranzystor lub tyrystor
4a 4b	kondensator przełączany pierwszy kondensator przełączany drugi	kondensatory foliowe	kondensatory ceramiczne
5 6	łącznik rozładowujący łącznik pośredni	tranzystory MOSFET	tranzystor IGBT, SiC, GaN, tyrystor,
6^!'	łącznik pośredni pierwszy	tranzystory MOSFET	tranzystor IGBT, SiC, GaN, tyrystor
7	kondensator wyjściowy	foliowe i elektrolityczne	kondensatory ceramiczne
Uin	napięcie stałe o wartości 50 V
Uoul	napięcie stałe o wartości ok. 350 V

PL 239 302 B1

Wykaz oznaczeń

I komórka pierwszego rodzaju

II komórka drugiego rodzaju

1. element o charakterze indukcyjnym - dławik

2. a - łącznik ładujący górny pierwszy (w komórkach pierwszego rodzaju) b - łącznik ładujący górny drugi (przed komórkami drugiego rodzaju) c - wyjściowy

3. łącznik ładujący dolny

4. kondensator przełączany a - pierwszy (w komórkach pierwszego rodzaju) b - drugi (w komórkach drugiego rodzaju)

5. łącznik rozładowujący

6. łącznik pośredni

6” łącznik pośredni pierwszy

7. kondensator wyjściowy

8. szyna dodatnia

9. szyna ujemna

10. szyna pośrednia

Uin wejście napięciowe (źródło)/ napięcie wejściowe

Uout wyjście napięciowe przekształtnika /napięcie wyjściowe

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przekształtnik rezonansowy DC-DC o przełączanych kondensatorach i zredukowanej liczbie aktywnych łączników mający połączone równolegle komórki, które zawierają półprzewodnikowe łączniki ładujące i rozładowujące oraz elementy pasywne, w którym ostatnia gałąź zawiera jeden kondensator wyjściowy, a w szynie dodatniej, przed gałęzią kondensatora wyjściowego włączony jest łącznik wyjściowy, znamienny tym, że od strony wejścia ma co najmniej jeden zespół złożony z komórki pierwszego rodzaju (I) i komórki drugiego rodzaju (II), a na wyjściu jako ostatnią ma komórkę pierwszego rodzaju (I), przy czym komórka pierwszego rodzaju (I) składa się z gałęzi zawierającej elementy pasywne (1; 4a) i z gałęzi zawierającej łącznik rozładowujący (5) dołączone wspólnie poprzez łącznik ładujący dolny (3) do szyny pośredniej (10), komórka drugiego rodzaju (II) ma gałąź z elementami pasywnymi (1; 4b) dołączoną bezpośrednio do szyny ujemnej (9), ponadto przekształtnik w szynie dodatniej (8) pomiędzy gałęziami komórki pierwszego rodzaju (I) ma łączniki ładujące górne pierwsze (2a) a przed komórką drugiego rodzaju ma łączniki ładujące górne drugie (2b), zaś pomiędzy szyną pośrednią (10) a szyną ujemną (9) włączony jest łącznik pośredni (6), natomiast kondensator wyjściowy (7) włączony jest pomiędzy szynę dodatnią (8) i szynę ujemną (9).
2. Przekształtnik według zastrz. 1, znamienny tym, że elementami pasywnymi w gałęzi komórki pierwszego rodzaju (I) jest element o charakterze indukcyjnym (1) oraz kondensator przełączany pierwszy (4).
3. Przekształtnik według zastrz. 1, znamienny tym, że elementami pasywnymi w gałęzi komórki drugiego rodzaju (II) jest element o charakterze indukcyjnym (1) oraz kondensator przełączany drugi (4b).
4. Przekształtnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w każdej komórce pierwszego rodzaju (1) łącznikiem ładującym dolnym jest łącznik pośredni pierwszy (6”) dołączony bezpośrednio do szyny ujemnej (9).