RU2073395C1

RU2073395C1 - Electric power converter

Info

Publication number: RU2073395C1
Application number: RU94038950A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Ермаков; С.Г. Момджи; Н.М. Тугов; Б.В. Урывский
Original assignee: Тугов Николай Михайлович
Priority date: 1994-11-09
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 1997-02-20

Abstract

FIELD: agriculture; agricultural engineering. SUBSTANCE: power converter applicable in storage of forage and agricultural products and also applicable as a source of power for lighting and heating has a contour which comes in impedance mismatch under resonance load, and the efficiency factor decreases dramatically, however automatic frequency control makes it possible to operate in the optimal mode. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение может найти применение в сельскохозяйственных работах при хранении кормов и сельскохозяйственной продукции, при обработке почвы, в парниковом хозяйстве, при обработке сельскохозяйственных орудий. Кроме того, возможно применение устройства в аппаратах высокочастотного нагрева, в высокочастотных преобразователях для питания источников света, в аппаратах электродуговой сварки и других установках с высокочастотным преобразованием энергии постоянного напряжения на основе двухтактных и многотактных преобразователей. The invention can find application in agricultural work in the storage of feed and agricultural products, in soil cultivation, in a greenhouse, in the processing of agricultural implements. In addition, it is possible to use the device in high-frequency heating apparatuses, in high-frequency converters for powering light sources, in electric arc welding apparatuses and other installations with high-frequency conversion of DC voltage energy based on push-pull and multi-cycle converters.

Известен преобразователь электрической энергии, содержащий резонансный инвертор, выполненный на статических индукционных транзисторах, резонансную нагрузку, формирователи импульсов управления [1]
Недостаток известного устройства заключается в значительном снижении КПД и надежности устройства при изменении параметров нагрузки, связанном как с изменением степени насыщения индукционных транзисторов, так и с рассогласованием контура и задающего генератора.Known electrical energy Converter containing a resonant inverter made on static induction transistors, a resonant load, control pulse shapers [1]
A disadvantage of the known device is a significant reduction in the efficiency and reliability of the device when changing the load parameters associated with both a change in the degree of saturation of the induction transistors and a mismatch in the circuit and the master oscillator.

Важнейшим достоинством устройства является жесткая зависимость его работы от электрического состояния силовых транзисторов и параметров нагрузки: формирование отпирающего импульса силового транзистора обеспечивается только при надежном выключении парафазного ключа и резонансе в нагрузке одновременно. Как следствие, преобразователь и транзисторы формирователя импульсов управления защищены от сбоев при коммутации и от возникающего при этом короткого замыкания в цепи источника силового питания. Высокая точность слежения за резонансом обеспечивает максимальный КПД передачи энергии в нагрузку. Обеспечивается также защита от короткого замыкания в цепи затвор-исток силовых транзисторов. The most important advantage of the device is the rigid dependence of its operation on the electrical state of power transistors and load parameters: the formation of a turn-on pulse of a power transistor is provided only when the paraphase switch is turned off reliably and the resonance in the load is simultaneous. As a result, the converter and transistors of the control pulse generator are protected from switching failures and from the resulting short circuit in the power supply circuit. High precision tracking of the resonance provides maximum efficiency of energy transfer to the load. Short circuit protection in the gate-source circuit of power transistors is also provided.

Упрощается система управления и улучшаются массогабаритные и энергетические показатели преобразователя, т.к. преобразователь отслеживает изменения режима комплексно: с помощью оптической обратной связи и с помощью автоподстройки частоты. The control system is simplified and the overall dimensions and energy parameters of the converter are improved, because the converter monitors mode changes comprehensively: with the help of optical feedback and with the help of frequency auto-tuning.

Повышается надежность вследствие роста помехоустойчивости преобразователя, т. к. момент включения парафазного силового транзистора определяется моментом срабатывания оптопары. До этого момента напряжение на запертом силовом транзисторе изменяется относительно медленно. В итоге снижается влияние эффекта Миллера и повышается помехоустойчивость преобразователя. Совместное действие оптической обратной связи и автоподстройки резонанса позволяет привязать все коммутации к нулю силового тока, что также повышает надежность преобразователя. Reliability is increased due to increased noise immunity of the converter, since the moment of switching on a paraphase power transistor is determined by the moment of operation of the optocoupler. Up to this point, the voltage across the locked power transistor changes relatively slowly. As a result, the effect of the Miller effect is reduced and the noise immunity of the converter is increased. The combined action of optical feedback and resonance auto-tuning allows you to bind all switching to zero power current, which also increases the reliability of the converter.

Существенным недостатком известного устройства является резкое изменение степени насыщения и глубины запирания силовых транзисторов. Введение дополнительной обратной связи по высокой частоте в дополнительном варианте преобразователя позволяет изменять отпирающий и запирающий токи силовых транзисторов пропорционально выходному току, что обеспечивает надежную работу преобразователя при пульсирующем силовом напряжении. A significant disadvantage of the known device is a sharp change in the degree of saturation and the locking depth of the power transistors. The introduction of additional high frequency feedback in an additional converter option allows you to change the unlocking and locking currents of the power transistors in proportion to the output current, which ensures reliable operation of the converter with a pulsating power voltage.

На чертеже представлена структурная схема преобразователя электрической энергии. Преобразователь содержит двухтактный резонансный инвертор 1 в виде статических индукционных транзисторов 2, 3, связанных с резонансной нагрузкой 4, формирователи импульсов управления 5, 6, блок согласования с нагрузкой 7, излучатель 8 оптопары 9, включенные последовательно резистором 10 подключен параллельно входу статического индукционного транзистора 2, излучатель 11 оптопары 12 включен последовательно с резистором 13 и они подключены параллельно входу статического индукционного транзистора 3, выходы оптопар 9, 12 соединены с первыми входами блоков совпадения 14, 15 соответственно, вход блока автоматической подстройки частоты 16 соединены с выходом блока согласования 7, а его парафазный выход связан с излучателями 17, 18 оптопар 20, 21, выход оптопары 20 соединены со вторым входом блока совпадения 15 выход оптопары 21 связан со вторым входом блока совпадения 14, выходы блоков совпадения 14, 15 соединены с входами формирователей импульсов управления 6, 5 соответственно. The drawing shows a structural diagram of a converter of electrical energy. The converter contains a push-pull resonant inverter 1 in the form of static induction transistors 2, 3, connected with a resonant load 4, control pulse shapers 5, 6, a matching unit with a load 7, an emitter 8 of optocouplers 9 connected in series with a resistor 10 connected in parallel with the input of a static induction transistor 2 , the emitter 11 of the optocoupler 12 is connected in series with the resistor 13 and they are connected in parallel with the input of the static induction transistor 3, the outputs of the optocouplers 9, 12 are connected to the first inputs matching locks 14, 15, respectively, the input of the automatic frequency control unit 16 is connected to the output of the matching unit 7, and its paraphase output is connected to the emitters 17, 18 of the optocoupler 20, 21, the output of the optocoupler 20 is connected to the second input of the matching unit 15, the output of the optocoupler 21 the second input of the coincidence unit 14, the outputs of the coincidence units 14, 15 are connected to the inputs of the control pulse shapers 6, 5, respectively.

В варианте преобразователя по п. 2 анод отсекающего диода 23 и катод отсекающего диода 24 соединены с выходом блока согласования 7, катод отсекающего 23 включен последовательно с резистором 25 и они соединены с стоком полевого транзистора 26 и с первой обкладкой форсирующего конденсатора 27, вторая обкладка этого конденсатора соединена с истоком статического индукционного транзистора 2, анод отсекающего диода 24 включен последовательно с резистором 28 и они соединены со стоком полевого транзистора 29 и с первой обкладкой форсирующего конденсатора 30, вторая обкладка соединена с истоком статического индукционного транзистора 2, катод отсекающего диода 31 соединен со стоком полевого транзистора 26, анод этого диода соединен с положительным полюсом источника напряжения 32, анод отсекающего диода 33 соединен со стоком полевого транзистора 29, катод этого диода с отрицательным полюсом источника напряжения 34. In the embodiment of the converter according to claim 2, the anode of the cut-off diode 23 and the cathode of the cut-off diode 24 are connected to the output of the matching unit 7, the cathode of the cut-off 23 is connected in series with the resistor 25 and they are connected to the drain of the field-effect transistor 26 and to the first lining of the boost capacitor 27, the second lining of this the capacitor is connected to the source of the static induction transistor 2, the anode of the cut-off diode 24 is connected in series with the resistor 28 and they are connected to the drain of the field-effect transistor 29 and to the first lining of the forcing capacitor a 30, the second plate is connected to the source of the static induction transistor 2, the cathode of the cut-off diode 31 is connected to the drain of the field effect transistor 26, the anode of this diode is connected to the positive pole of the voltage source 32, the anode of the cut-off diode 33 is connected to the drain of the field-effect transistor 29, the cathode of this diode with the negative pole of the voltage source 34.

Преобразователь электрической энергии работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии оба силовых транзистора 2, 3 инвертора 1 заперты и на затворы этих транзисторов подается отрицательное напряжение. При подаче силового питающего напряжения блок автоматической подстройки частоты 16 формирует импульс управления, который с положительного парафазного выхода поступает через резистор 19 на излучатель 17 оптопары 20 и далее с выхода оптопары 20 на вход блока совпадения 15. На обоих входах блока совпадения 15 оказывается логическая единица, на вход формирователя импульсов управления 5 поступает отпирающий импульс и силовой транзистор 2 включается. Высокочастотный сигнал с нагрузкой через блок согласования 7 вновь поступает на вход блока 16 и далее через резистор 22 и излучатель 18 оптопары 21 на вход блока совпадения 14. Однако вследствие действия оптической обратной связи через оптопару 9 с излучателем 8 и резистором 10 отпирающий импульс на силовой транзистор 3 подается только после появления между затвором и истоком транзистора 2 отрицательного отсекающего напряжения. Тогда на оба входа блока совпадения 14 поступит логическая единица, на входе формирователя импульсов управления 6 появляется отпирающий сигнал и включается силовой транзистор 3. Далее процессы повторяются, причем алгоритм коммутации преобразователя обеспечивает настройку в резонанс с абсолютной погрешностью меньшей времени рассасывания статических индукционных транзисторов 2, 3. The electric energy Converter operates as follows. Suppose that in the initial state both power transistors 2, 3 of inverter 1 are locked and a negative voltage is applied to the gates of these transistors. When the power supply voltage is applied, the automatic frequency control unit 16 generates a control pulse, which from the positive paraphase output passes through the resistor 19 to the emitter 17 of the optocoupler 20 and then from the output of the optocoupler 20 to the input of the matching unit 15. At both inputs of the matching unit 15 there is a logical unit, at the input of the pulse shaper control 5 receives a trigger pulse and the power transistor 2 is turned on. The high-frequency signal with the load through the matching unit 7 is again fed to the input of the block 16 and then through the resistor 22 and the emitter 18 of the optocoupler 21 to the input of the matching unit 14. However, due to the optical feedback through the optocoupler 9 with the emitter 8 and resistor 10, the trigger pulse to the power transistor 3 is supplied only after a negative cut-off voltage appears between the gate and the source of the transistor 2. Then, a logical unit will be supplied to both inputs of coincidence unit 14, an unlocking signal appears at the input of control pulse shaper 6 and the power transistor 3 is turned on. Next, the processes are repeated, and the converter switching algorithm provides tuning to resonance with an absolute error of a shorter resorption time of static induction transistors 2, 3 .

При питании изменяющимся в широких пределах постоянным напряжением или при пульсирующем питающем напряжении принцип действия преобразователя по п. 2 состоит в следующем. Запуск преобразователя обеспечивается аналогично запуску при питании стабильным силовым напряжением. Пусть режим работы преобразователя установился и оптическая обратная связь совместно с блоком автоматической подстройки частоты обеспечили резонанс в нагрузке. Тогда при отпирании полевого транзистора 26 в затвор силового транзистора 2 задается положительный ток от источника напряжения 32 через отсекающий диод 31, форсирующий конденсатор 27 разряжается через входную цепь силового транзистора 2, обеспечивая его быстрое включение при малых значениях силового напряжения. Через резистор 25 и отсекающий диод 23 от блока согласования 7 на вход силового транзистора 2 подается высокочастотный сигнал, промодулированный силовым напряжением. Отсекающий диод 31 запирается и в затвор силового транзистора задается ток, пропорциональный выходному току. При переключении выхода блока совпадения 15 из единичного состояния в нулевое полевой транзистор 26 запирается, а полевой транзистор 29 отпирается, в затвор силового транзистора 2 задается запирающий ток от источника напряжения 34 через отсекающий диод и за счет разряда форсирующего конденсатора 30. При достаточно больших значениях силового напряжения отсекающий диод 33 закрывается и запирающий ток, пропорциональный выходному току поступает от блока согласования 7 через отсекающий диод 23 и резистор 28. При переключении силового транзистора 3 происходят аналогичные процессы. В результате снижаются потери в полевых транзисторах 26, 29 и в силовых транзисторах преобразователя и увеличивается КПД преобразователя. Растет также КПД нагрева вследствие повышения точности согласования нагрузки и преобразователя. Увеличивается надежность преобразователя вследствие исчезновения сквозных токов и обеспечения коммутаций в нуле тока или напряжения. When powered by a constant voltage varying over a wide range or with a pulsating supply voltage, the principle of operation of the converter according to claim 2 is as follows. The start-up of the converter is provided similarly to the start-up when powered by a stable power voltage. Let the operation mode of the converter be established and the optical feedback together with the automatic frequency control unit provide resonance in the load. Then, when the field-effect transistor 26 is unlocked, the gate of the power transistor 2 is set to a positive current from the voltage source 32 through the cut-off diode 31, the boost capacitor 27 is discharged through the input circuit of the power transistor 2, ensuring its quick inclusion at low values of the power voltage. Through a resistor 25 and a cut-off diode 23 from the matching unit 7, a high-frequency signal modulated by the power voltage is supplied to the input of the power transistor 2. The cut-off diode 31 is locked and a current proportional to the output current is set in the gate of the power transistor. When the output of coincidence block 15 is switched from a single state to the zero field-effect transistor 26 is turned on, and the field-effect transistor 29 is turned on, a blocking current is supplied to the gate of the power transistor 2 from the voltage source 34 through the cut-off diode and due to the discharge of the boost capacitor 30. For sufficiently large values of the power the cutoff diode 33 is closed and the blocking current proportional to the output current is supplied from the matching unit 7 through the cutoff diode 23 and the resistor 28. When switching the power transistor 3 roiskhodyat similar processes. As a result, losses in the field effect transistors 26, 29 and in the power transistors of the converter are reduced and the efficiency of the converter is increased. The heating efficiency is also increasing due to an increase in the accuracy of matching the load and the converter. The reliability of the converter increases due to the disappearance of through currents and the provision of switching at zero current or voltage.

Claims

1. An electric energy converter containing a resonant inverter in the form of first and second static induction transistors associated with a resonant load, and inputs with outputs of the control pulse shapers, a load matching unit, characterized in that it is equipped with four optocouplers with current-limiting resistors, two blocks coincidence, the automatic frequency control unit with a paraphase output, and the emitter of the first optocoupler is connected in series with the first resistor, and they are connected to parallel to the input of the first static induction transistor, the emitter of the second optocoupler is connected in series with the second resistor and they are connected parallel to the input of the second static induction transistor, the outputs of the first and second optocouplers are connected to the first inputs of the second and first matching units, respectively, the input of the automatic frequency control unit is connected to the output of the unit coordination with the load, and its paraphase output is connected to the emitters of the third and fourth optocouplers, the output of the third optocoupler is connected to W eye input of the first matching unit, an output of the fourth photocoupler connected to a second input of the second matching block, the outputs of the first and second matching units are connected with the inputs of the first and second control pulse generators, respectively.

2. The converter according to claim 1, characterized in that each of the control pulse shapers is equipped with a first and second cut-off diodes, a feedback block containing the first and second resistors, a third and fourth cut-off diodes, two boost capacitors, and an output stage of the control pulse shaper has two field-effect transistors and two voltage sources connected in series, the anode of the third and the cathode of the fourth blocking diodes connected to the output of the matching unit, the cathode of the third blocking diode in It is connected in series with the first resistor, and they are connected to the drain of the first field-effect transistor and to the first plate of the first boost capacitor, the second plate of this capacitor is connected to the source of the first static induction transistor, the anode of the fourth cut-off diode is connected in series with the second resistor, and they are connected to the drain of the second field transistor and with the first plate of the second boost capacitor, the second plate is connected to the source of the first static induction transistor, the cathode the first cut-off diode is connected to the drain of the first field-effect transistor, the anode of this diode is connected to the drain of the second field-effect transistor, the cathode of this diode is connected to the negative pole of the second voltage source, and the common point of connection of the voltage sources is connected to the source of the corresponding static induction transistor.