Analysis of two-section phase-controlled resonant voltage converter

Abstract

Робота присвячена аналізу високоефективного двосекційного резонансного перетворювача постійної напруги з фазовим регулюванням потужності в широкому діапазоні при його роботі на сталій частоті. Кожна із інверторних секцій перетворювача виконана за схемою паралельного резонансного напівмостового інвертора напруги зі спільним їх резонансним конденсатором, який через трансформатор, випрямляч із середньою точкою і згладжувальний фільтр під’єднано до навантаження. Інверторну частину перетворювача розглянуто як граничний випадок багатосекційного резонансного інвертора, в якому одна із секцій є опорною, відносно вихідних імпульсів якої здійснюється регулювання фазового зсуву вихідних імпульсів іншої секції. Частота комутації перетворювача є постійною, що покращує його електромагнітну сумісність у порівнянні з перетворювачами з частотним регулюванням. Аналіз виконано методом основної гармоніки. Встановлено аналітичні вирази для комплексних напруг та струмів у обох секціях перетворювача. Отримано регулювальну характеристику – залежність потужності перетворювача від фазового зсуву між імпульсами напівмостових інверторних секцій. Розглянуто питання роботи транзисторних ключів секцій у режимі їх комутації з нульовою напругою. Фазовий зсув між секціями при регулюванні потужності впливає на фазовий зсув між напругами і струмами у його секціях, що може перевести інвертор в ємнісний режим роботи. Тому при проектуванні перетворювача для забезпечення комутації ключів при нульовій напрузі необхідно шляхом проведення обчислювального експерименту вибрати робочу частоту інвертора такою, за якої фазові зсуви між напругами і струмами є гарантовано більшими від нуля. Проаналізовано залежність ККД перетворювача від потужності. Показано, що ККД незначно зменшується при зменшенні потужності в широкому діапазоні потужностей і лише на потужностя,х менших за 10% від максимальної, різко падає. Проведено верифікацію запропонованого аналізу шляхом імітаційного моделювання схеми перетворювача за допомогою PSIM-програми моделювання пристроїв силової електроніки. Результати моделювання добре узгоджуються з результатами аналізу.

Analysis of two-section resonant DC-to-DC converter with phase power control is carried out in this paper. Two-section converter is considered as a boundary case of the multi-section converter with only one controlled section and other uncontrolled sections. The converter sections are parallel resonant half-bridge voltage inverters with a common resonant capacitor connected to the load through a matching transformer, center-tapped rectifier and smoothing filter. One of the sections is the reference, relative to which the phase shift of the output pulses of the other section is adjusted. The switching frequency of the converter is constant, which improves its electromagnetic compatibility. Analysis is carried out by the fundamental harmonic approximation method. Analytical expressions for voltage and current phasors in both sections of the converters have been established. The dependence of the converter power on the phase shift between the pulses of the half-bridge inverter sections was obtained. The dependence of the efficiency of the converter on the power was analyzed. It is shown that the efficiency slightly decreases when the power is reduced in a wide range of powers and only at powers less than 10% of full load power it drops sharply. The problems of operation of section transistor switches in their zero-voltage switching mode is considered. Verification of the conducted analysis was carried out by simulation of the converter circuit using the PSIM program for modeling power electronics devices. The simulation results are in a good agreement with the analysis results.