RU2453973C1

RU2453973C1 - High frequency quazi-resonance voltage transducer with full resonance-type current wave

Info

Publication number: RU2453973C1
Application number: RU2011109630/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Горяшин (RU); Николай Николаевич Горяшин; Анна Александровна Соломатова (RU); Анна Александровна Соломатова
Original assignee: Николай Николаевич Горяшин; Анна Александровна Соломатова
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-06-20

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: invention relates to transducer devices and may be applied in stand-alone power supply systems, in the secondary power sources, in particular. The voltage transducer includes MIS transistor-based key element, with its drain being connected with the primary power source, and with a source being connected with induction element terminal with non-linear induction dependency from the flowing current. These elements are shunted with a diode with Schottky barrier so that diode cathode is coupled with power MIS transistor drain, while the anode is coupled with the second terminal of induction element and one of the resonance circuit induction terminal, and the other terminal is coupled with the potential armature of resonance circuit capacitor, coupled with induction terminal of resonance circuit capacitor connected to the induction terminal of an output filter and to reverse biased regenerative diode. The second induction terminal of output filter is connected with the potential armature of output filter capacitor, and anode of regenerative diode and other armatures of resonance circuit capacitors and output filters are integrated and connected to the common bys of transducer. The voltage transducer input is coupled with the first source of electric energy, while the output - with load resistance. The novelty of device is an installation of induction element with linear dependency of induction from flowing current.

EFFECT: increased efficiency of voltage transducer due to reduced number of dynamic losses by eliminating reverse recovery process in field MIS transistor of diode.

4 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в автономных системах электроснабжения, в частности во вторичных источниках электропитания.The invention relates to a conversion technique and can find application in autonomous power supply systems, in particular in secondary power sources.

Известны устройства аналогичного назначения - преобразователи напряжения (ПН) с прямоугольной формой напряжения и тока и широтно-импульсной модуляцией [Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005, с.632, Wuidart, L. Topologies for switched-mode power supplies. STM Aplication Note, 1999, p.18], к недостаткам которых следует отнести: невозможность улучшения энергетических характеристик без повышения быстродействия ключевых элементов (КЭ), уменьшения падения напряжения на КЭ в открытом состоянии. Такая тенденция усилит влияние паразитных реактивных составляющих реальной схемы, т.е. увеличение скорости изменения напряжения на коллекторе (стоке) КЭ приведет к увеличению коммутационных помех, наложенных на выходное напряжение ПН.Known devices for a similar purpose - voltage converters (PN) with a rectangular shape of voltage and current and pulse-width modulation [Meleshin V.I. Transistor converter technology. M .: Technosphere, 2005, p.632, Wuidart, L. Topologies for switched-mode power supplies. STM Aplication Note, 1999, p.18], the disadvantages of which include: the inability to improve energy performance without increasing the performance of key elements (CE), reducing the voltage drop across the FE in the open state. This trend will increase the influence of spurious reactive components of the real circuit, i.e. an increase in the rate of change of voltage at the collector (drain) of the FE will lead to an increase in switching noise superimposed on the output voltage of the monitors.

Из известных устройств наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является квазирезонансный ПН с полной волной тока резонансного цикла с частотно-импульсной модуляцией [R.W.Erickson Fundamentals of Power Electronics First Edition New York: Chapman and Hall, May 1997. 791 pages, 929 line illustrations], принятый за прототип. Данный тип ПН содержит КЭ, реализованный на одном силовом МДП-транзисторе, включенном последовательно между первичным источником электроэнергии (ПИЭ) и цепью, содержащей последовательно включенные: резонансный контур (РК), содержащий резонансный индуктивный элемент Lp, один из выводов которого подключен к истоку силового МДП-транзистора, а другой вывод - к резонансному конденсатору Ср, параллельно которому включен обратносмещенный диод, к катоду которого подключен выходной LфСф - фильтр.Of the known devices, the closest in technical essence to the claimed one is a quasi-resonant PN with a full wave of a resonant cycle current with pulse-frequency modulation [RWErickson Fundamentals of Power Electronics First Edition New York: Chapman and Hall, May 1997. 791 pages, 929 line illustrations ] adopted as a prototype. This type of PN contains KE implemented on one power MOS transistor connected in series between the primary source of electricity (PIE) and a circuit containing serially connected: a resonant circuit (RC) containing a resonant inductive element Lp, one of the terminals of which is connected to the source of the power MIS transistor, and the other terminal - to the resonant capacitor Cp, in parallel with which a reverse biased diode is connected, to the cathode of which an output LphCf filter is connected.

Основным недостатком указанного прототипа является то, что при запирании КЭ на основе МДП-транзистора в момент пересечения тока индуктивности РК через ноль отпирается встроенный в МДП-транзистор обратный диод, через который протекает отрицательная полуволна тока резонансного цикла, по завершении которого накопленный в диоде диффузионный заряд расходуется на тепловые потери - происходит процесс обратного восстановления встроенного в МДП-транзистор диода и, как следствие, увеличение потерь мощности и ограничение частоты преобразования. Традиционным решением данной проблемы является введение дополнительного шунтирующего диода с барьером Шоттки с таким же блокирующим напряжением, что и МДП-транзистор. Как показали эксперименты, при использовании полупроводниковых приборов с блокирующим напряжением более 100В данный способ не позволяет полностью исключить протекание тока через встроенный в МДП-транзистор диод, что отражает фиг.2, где I(t), I1(t) и I2(t) - токи, протекающие через МДП-транзистор, диод, встроенный в МДП-транзистор, и диод Шоттки соответственно.The main disadvantage of this prototype is that when locking a CE based on an MIS transistor at the moment of crossing the inductance of the RK, a reverse diode integrated in the MIS transistor is released through zero, through which the negative half-wave of the resonant cycle current flows, after which the diffusion charge accumulated in the diode spent on heat loss - there is a process of reverse recovery of the diode integrated in the MOS transistor and, as a result, an increase in power loss and limitation of the conversion frequency I am. A traditional solution to this problem is the introduction of an additional shunt diode with a Schottky barrier with the same blocking voltage as the MOS transistor. As experiments showed, when using semiconductor devices with a blocking voltage of more than 100V, this method does not completely exclude the flow of current through the diode built into the MIS transistor, which reflects figure 2, where I (t), I1 (t) and I2 (t) - currents flowing through an MOS transistor, a diode integrated in an MIS transistor, and a Schottky diode, respectively.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение потерь в МДП-транзисторе при одновременном повышении частоты коммутации, за счет чего возможно увеличение удельной мощности и КПД.The problem to which the invention is directed is to reduce losses in the MOS transistor while increasing the switching frequency, due to which it is possible to increase the specific power and efficiency.

Поставленная задача решается тем, что в высокочастотный квазирезонансный преобразователь напряжения с полной волной тока резонансного цикла введен индуктивный элемент с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока, один вывод которого подключен к истоку ключевого элемента на основе МДП-транзистора, а другой - к выводу индуктивности РК. Ключевой элемент и введенный индуктивный элемент зашунтированы диодом с барьером Шоттки таким образом, что катод диода соединен со стоком силового МДП-транзистора, а анод приходит в точку соединения выводов индуктивного элемента РК и вновь введенного индуктивного элемента. Второй вывод индуктивности РК подключен к потенциальной обкладке конденсатора РК, присоединенной к катоду обратносмещенного рекуперативного диода и выводу индуктивности выходного фильтра, другой вывод которой соединен с потенциальной обкладкой конденсатора выходного фильтра, а анод рекуперативного диода и другие обкладки конденсаторов резонансного контура и выходного фильтра объединены и присоединены к общей шине преобразователя. Вход преобразователя напряжения подключен к первичному источнику электроэнергии, а выход - к сопротивлению нагрузки.The problem is solved by the fact that an inductive element with a nonlinear dependence of the inductance on the flowing current is introduced into a high-frequency quasi-resonant voltage converter with a full current wave of the resonant cycle, one output of which is connected to the source of the key element based on the MIS transistor, and the other to the output of the inductance of the RK. The key element and the introduced inductive element are shunted by the Schottky barrier diode so that the cathode of the diode is connected to the drain of the power MOS transistor, and the anode comes to the junction of the terminals of the inductive element of the RK and the newly introduced inductive element. The second output of the inductance of the RK is connected to the potential lining of the capacitor of the RK connected to the cathode of the reverse biased regenerative diode and the output of the inductance of the output filter, the other output of which is connected to the potential lining of the capacitor of the output filter, and the anode of the regenerative diode and other plates of the capacitors of the resonant circuit and the output filter are combined and connected to the common bus of the converter. The input of the voltage converter is connected to the primary source of electricity, and the output to the load resistance.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства. На фиг.3 - временные диаграммы работы заявляемого устройства.Figure 1 shows a diagram of the inventive device. Figure 3 is a timing diagram of the operation of the claimed device.

Заявляемое устройство состоит из блока управления 3, выводы которого подключены к затвору и истоку МДП-транзистора 2, сток МДП-транзистора 2 соединен с ПИЭ 1, а исток - с выводом индуктивного элемента с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока 5, эти элементы зашунтированы диодом с барьером Шоттки 4 так, что катод диода 4 соединен со стоком силового МДП-транзистора 2, а анод - с точкой соединения выводов индуктивных элементов 5 и 6. Второй вывод индуктивного элемента РК 6 присоединен к потенциальной обкладке резонансного конденсатора 7, параллельно которому включен обратносмещенный рекуперативный диод 8, к катоду которого подключен один из выводов индуктивности выходного фильтра 9, а к другому выводу - потенциальная обкладка конденсатора выходного фильтра 10, параллельно которому подключено сопротивление нагрузки 11. Анод диода 8 и другие обкладки конденсаторов резонансного контура 7 и выходного фильтра 10 объединены и присоединены к общей шине преобразователя.The inventive device consists of a control unit 3, the terminals of which are connected to the gate and the source of the MOS transistor 2, the drain of the MIS transistor 2 is connected to the PIE 1, and the source to the output of the inductive element with a nonlinear dependence of the inductance on the flowing current 5, these elements are shunted by the diode with a Schottky barrier 4 so that the cathode of the diode 4 is connected to the drain of the power MIS transistor 2, and the anode is connected to the connection point of the terminals of the inductive elements 5 and 6. The second terminal of the inductive element of PK 6 is connected to the potential lining of the resonant condenser ator 7, in parallel to which a reverse biased regenerative diode 8 is connected, to the cathode of which one of the inductance terminals of the output filter 9 is connected, and to the other terminal is a potential lining of the capacitor of the output filter 10, in parallel with which the load resistance is connected 11. The anode of the diode 8 and other plates of the resonant capacitors circuit 7 and the output filter 10 are combined and connected to a common Converter bus.

Устройство работает следующим образом: первоначально МДП-транзистор 2 закрыт. Выходной ток течет за счет энергии, запасенной в индуктивности выходного фильтра 9. В некоторый момент времени, определяемый устройством управления 3, МДП-транзистор 2 открывается. Колебательный контур, образованный индуктивными элементами 6, 5 и конденсатором 7 начинает получать энергию от ПИЭ 1, при этом индуктивный элемент 5 имеет значение индуктивности, существенно меньшее, чем элемент 6, и уменьшается с увеличением тока, таким образом, что при значениях тока более 10% от тока нагрузки значение индуктивного элемента 5 становится пренебрежимо малым. Заряд конденсатора 7 и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура 6-7. Одновременно ток в индуктивности 6 также будет изменяться по синусоидальному закону - вначале увеличиваться, затем уменьшаться, причем положительная полуволна тока протекает через открытый канал МДП-транзистора 2, когда этот ток уменьшится до нуля, транзистор 2 запирается по сигналу устройства управления КЭ 3, которое синхронизируется с переходом тока РК через нулевое значение. При значениях тока, близких к нулевому, индуктивный элемент 5 принимает значение порядка 20-25% от значения индуктивного элемента 6. Таким образом, когда ток вследствие продолжающегося резонансного процесса меняет знак, при малых его значениях на индуктивном элементе падает некоторое напряжение, которое в сумме с прямым падением напряжения на встроенном в МДП-транзистор диоде имеет большее значение, чем прямое падение напряжения на диоде Шоттки 4. Вследствие чего основная часть тока отрицательной полуволны протекает через диод 4, как показано на экспериментальных осциллограммах на фиг.3. Когда ток через индуктивный элемент 6 становится равным нулю, запирается диод 4, и выходной ток течет через индуктивность выходного фильтра 9 и конденсатор 7, который быстро разряжается. Как только он разрядится до нуля, открывается диод 8. На этом один резонансный цикл заканчивается, и с открыванием КЭ начинается следующий. На фиг.3 изображены осциллограммы токов, протекающих через индуктивный элемент 6 - I(t), канал МДП-транзистора 2 - I3(t), диод Шоттки 4 - I2(t), встроенный в МДП-транзистор 2 диод - I1(t), и сигнал управления МДП-транзистором - Uупр(t).The device operates as follows: initially, the MOS transistor 2 is closed. The output current flows due to the energy stored in the inductance of the output filter 9. At some point in time, determined by the control device 3, the MOS transistor 2 opens. The oscillating circuit formed by inductive elements 6, 5 and capacitor 7 begins to receive energy from PIE 1, while the inductive element 5 has an inductance value substantially smaller than element 6, and decreases with increasing current, so that at current values of more than 10 % of the load current, the value of the inductive element 5 becomes negligible. The charge of the capacitor 7 and its subsequent discharge will occur according to a law close to sinusoidal, with a frequency equal to the resonant frequency of the circuit 6-7. At the same time, the current in inductance 6 will also change according to a sinusoidal law - first increase, then decrease, and the positive half-wave of the current flows through the open channel of the MOS transistor 2, when this current decreases to zero, the transistor 2 is blocked by the signal of the control unit KE 3, which is synchronized with the transition of the current RK through a zero value. When the current values are close to zero, the inductive element 5 takes a value of the order of 20-25% of the value of the inductive element 6. Thus, when the current changes sign due to the ongoing resonant process, for small values of the inductive element, some voltage drops, which in total with a direct voltage drop on the diode integrated in the MIS transistor is more important than a direct voltage drop on the Schottky diode 4. As a result, the main part of the negative half-wave current flows through diode 4, as shown of experimental oscillograms in Figure 3. When the current through the inductive element 6 becomes equal to zero, the diode 4 is blocked, and the output current flows through the inductance of the output filter 9 and the capacitor 7, which quickly discharges. As soon as it is discharged to zero, diode 8 opens. At this, one resonant cycle ends, and with the opening of the FE begins the next one. Figure 3 shows the oscillograms of the currents flowing through the inductive element 6 - I (t), the channel of the MOS transistor 2 - I3 (t), the Schottky diode 4 - I2 (t), built into the MIS transistor 2, the diode - I1 (t ), and the control signal of the MOS transistor is Uupr (t).

Был изготовлен и испытан экспериментальный образец, в котором индуктивный элемент с нелинейной зависимостью индуктивности от протекающего тока выполнен в виде вывода истока МДП-транзистора с надетым на него сердечником тороидальной формы из феррита 2000НМ, имеющим габаритные размеры D=4 мм, d=2 мм, n=1 мм. Данный индуктивный элемент рассчитывается таким образом, чтобы магнитопровод входил в насыщение при токе порядка 10-15% от максимального тока нагрузки (Iнмакс) при условии, что Iнмакс определяется из (Iнмакс*(Lр/Ср)0,5/Uвх=0,9-0,95, при этом максимальное значение индуктивности (при токе резонансного контура, близком к нулю) должно составлять 20-25% от значения индуктивности основного индуктивного элемента РК. Индуктивность РК 6 составила 1,06 мкГн и емкость РК 7-22 нФ. В качестве ключевого элемента 2 использован МДП-транзистор IRFB61N15D, диод 4 - 20CTQ150, емкость выходного фильтра 10 составила 22,2 мкФ, индуктивность выходного фильтра 9-45 мкГн. На фиг.4 представлены экспериментальные кривые КПД высокочастотного квазирезонансного ПН с полной волной тока резонансного цикла, полученные при изменении выходной мощности, где кривая 1 соответствует КПД заявляемого устройства, кривая 2 - КПД его прототипа при стабилизированном выходном напряжении 24В и входном напряжении 80B при прочих равных условиях в диапазоне частоты коммутации от 357 до 375 кГц.An experimental sample was manufactured and tested in which an inductive element with a non-linear dependence of the inductance on the flowing current is made in the form of a source output of an MOS transistor with a toroidal core made of 2000NM ferrite in shape, having overall dimensions D = 4 mm, d = 2 mm, n = 1 mm. This inductive element is calculated so that the magnetic circuit enters saturation at a current of the order of 10-15% of the maximum load current (Imax), provided that Imax is determined from (Imax * (Lр / Ср) 0.5 / Uin = 0.9 -0.95, while the maximum value of the inductance (at a resonant circuit current close to zero) should be 20-25% of the value of the inductance of the main inductive element of the Republic of Kazakhstan. As a key element 2, an MIS transistor IRFB61N15D, diode 4 - 20CTQ150, output capacitance of the filter 10 was 22.2 μF, the inductance of the output filter was 9-45 μH Fig. 4 shows the experimental efficiency curves of the high-frequency quasi-resonant PN with the full current wave of the resonant cycle, obtained by changing the output power, where curve 1 corresponds to the efficiency of the claimed device, curve 2 - the efficiency of its prototype with a stabilized output voltage of 24V and an input voltage of 80V, ceteris paribus in the switching frequency range from 357 to 375 kHz.

Claims

A high-frequency quasi-resonant voltage converter with a full wave current of the resonant cycle, containing a key element based on an MOS transistor, the drain of which is connected to the primary power source, and the source is connected to one terminal of the inductive element of the resonant circuit, its other terminal is connected to the potential lining of the resonator circuit capacitor, connected to the cathode of a reverse biased regenerative diode and the output filter inductance output, the other output of which is connected to the potential a capacitor plate of the output filter, and the anode of the regenerative diode and other capacitor plates of the resonant circuit and the output filter are combined and connected to a common converter bus, characterized in that an additional inductive element with nonlinear dependence is introduced between the source of the power MOS transistor and the output of the inductive element of the resonant circuit inductance from the flowing current and a diode with a Schottky barrier, the cathode of which is connected to the drain of the power MOS transistor, and the anode is connected to the connection point in vodov inductive element of the resonant circuit and the inductance element newly introduced.