тел.: (391) 242-79-14 | эл. почта: info@efre-company.ru


.

Резонансные преобразователи электроэнергии

Как сказано в этой статье основным принципом преобразовательной техники является импульсный способ преобразования электроэнергии, где энергия первичного источника передается в накопитель (низкочастотный фильтр) порциями (импульсами) за счет переключения силовых полупроводниковых транзисторов - ключей. Изменяя параметры импульса, как правило это его длительность, можно регулировать среднее напряжение или ток на выходе источника питания, при этом импульсы генерируются за счет переключения транзисторного ключа или ключей на высокой частоте в десятки и сотни килогерц. Данный принцип упрощенно показан на рис.1. Если между источником напряжения U на рис.1а и нагрузкой R поставить ключ K, который может, либо замыкать, либо разрывать эту цепь в соответствии с управляющим сигналом то напряжение на выходе будет изменяться во времени как показано на рис.1б. Здесь T – период переключения, tи – длительность замкнутого состояния ключа (состояние проводимости).

Импульсный ключ

Рис. 1. Работа импульсного ключа

Если считать форму полученного сигнала строго прямоугольной, то среднее по времени значение такого напряжения Uср можно определить как отношение площади прямоугольника со сторонами равными периоду T напряжению U к площади прямоугольника со сторонами равными tи и U. Таким образом, среднее напряжение может быть определено простым выражением U(tи/T). Данный принцип регулирования носит название – широтно-импульсная модуляция. Для того чтобы получить постоянное выходное напряжение соответствующее среднему по времени значению импульсного сигнала используется низкочастотный сглаживающий фильтр.

Теоретически регулирование выходного напряжения путем периодического прерывания цепи питания, которое характеризуется переходом ключевого элемента (КЭ) из состояния “полностью открыт” в состояние “полностью закрыт” предполагает нулевые потери мощности. Реальная работа КЭ, в качестве которого может быть использован биполярный транзистор, полевой транзистор или IGBT-транзистор (прибор состоящий из полевого транзистора на входе и биполярного на выходе), связана с потерями энергии (рис. 2). Эти потери можно разделить на два типа: потери на переключение (динамические) и потери на КЭ в состоянии проводимости (статические). Также потери в преобразователе распределяются на элементы фильтра, обусловленные неидеальностью его компонентов, на омические потери монтажных соединений, коммутационный шум как следствие влияния паразитных реактивных компонентов реальной схемы и т.д.

Транзисторные ключи

Рис. 2. Транзисторные ключи

C развитием энергосберегающих технологий и повышением требований к качеству преобразования и передачи электроэнергии, к управлению энергопотоками различных энергосистем (стационарных, автономных и т.д.) возрос интерес к нетрадиционным способам преобразования электроэнергии, позволяющим повысить технико-экономические показатели данного типа систем. Большой класс такого рода преобразователей напряжения (ПН) представляют устройства, использующие резонансные режимы работы импульсных полупроводниковых ключей, что позволяет формировать близкую к гармонической (синусоидальной) форму тока и напряжения в силовых цепях ПН, а это в свою очередь позволяет снизить динамические потери в полупроводниковых силовых элементах и существенно улучшить электромагнитную совместимость таких ПН с полезной нагрузкой, т.е. снизить уровень электромагнитных помех генерируемых преобразователем. В данном типе ПН непосредственно коммутирующим элементом остается полупроводниковый ключ. Основным принципом, положенным в работу резонансных преобразователей электроэнергии, является то, что в цепь между нагрузкой и коммутирующим элементом включается резонансный контур (РК), в котором запасается и циркулирует энергия в каждый период переключения ключа (ключей). При чем циркуляция энергии происходит по резонансному закону, т.е. форма тока и напряжения в элементах РК близка к синусоидальной. Таким образом, переключая полупроводниковые ключи в моменты времени, когда ток или напряжение в цепи РК, а значит и в цепи ключа достигает нулевого значения можно полностью исключить динамические потери мощности.

Не смотря на более сложную схемотехнику резонансных преобразователей они имеют неоспоримые преимущества перед традиционными импульсными и хорошие перспективы развития. Это связано, в том числе и с тем, что дальнейшее улучшение энергетических характеристик традиционных импульсных преобразователей электроэнергии определяется совершенствованием элементной базы: повышением быстродействия КЭ, уменьшением падения напряжения на КЭ в открытом состоянии, но такая тенденция усилит влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы, т.е. с увеличением скорости изменения напряжения на коллекторе (стоке) КЭ возрастает амплитуда сигнала на высших гармониках, частоты которых могут совпадать с собственными частотами резонансных контуров, образованных паразитными элементами схемы, что приводит к увеличению высокочастотных помех, наложенных на выходное напряжение. Исключить паразитные элементы реальной схемы полностью невозможно. Таким образом, для уменьшения потерь на переключение, снижения потерь от коммутационного шума, вызванного влиянием паразитных элементов, следует переключать КЭ в моменты нулевых значений тока или напряжения, что возможно осуществить только при резонансных колебаниях в цепях с КЭ.

К основным достоинствам преобразователей, использующих резонансные режимы, работы следует отнести: уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счет снижения потерь на переключение КЭ, снижение габаритных размеров и массы емкостных и индуктивных элементов выходного фильтра, повышение быстродействия, благодаря возможности повышения частоты коммутации без увеличения потерь мощности на КЭ.

Существуют два основных режима работы КЭ с использованием явления резонанса: режим переключения при нулевых значениях тока, режим переключения при нулевых значениях напряжения. Другие возможные схемотехнические решения объединяют в себе физику процесса этих двух режимов. На рис.3 представлены примеры экспериментальных осциллограмм показывающих формы тока и напряжения в цепи РК и КЭ для двух вариантов резонансных преобразователей с режимом переключения при нулевых значениях напряжения (рис. 3а) и при нулевых значениях тока (рис.3б). Здесь на рис.3а момент включения КЭ обозначен как t2, а момент выключения t1. На рис.3б момент включения КЭ обозначен как t1, а момент выключения t2.

Осцилограммы резонансных режимов

Рис. 3. Осцилограммы резонансных режимов

Резонансные режимы могут быть применены в большинстве известных топологий классических импульсных преобразователей, включая гальванически развязанные от первичного источника с использованием импульсного трансформатора.