Falowniki klasy E podwajające częstotliwość

Z E SZY TY N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: EL E K T R Y K A z. 172

2000 N r kol. 1470

Zbigniew K A C Z M A R C Z Y K

FALOWNIKI KLASY E PODWAJAJĄCE CZĘSTOTLIWOŚĆ

S treszczen ie. Praca przedstaw ia podstaw ow e w łaściw ości oraz w yniki pomiarów laboratoryjnych dw óch falow ników klasy E z rów noległym kondensatorem podw ajających częstotliw ość. F alow niki pracow ały w w arunkach kom utacji optym alnej. Pierw szym

z falow ników był falow nik z zaw orem dw ukierunkow ym (¿>=0.75), w którym zastosowano tranzystor połow y M O SFET. Drugi falow nik posiadał zaw ór jednokierunkow y (D=0.25) utw orzony z tranzystora M O SFE T i szeregowo połączonej z nim diody. Jak dotychczas, w łaściw ości tego falow nika nie były opisyw ane w literaturze. Przeprow adzone pomiary laboratoryjne potw ierdziły m ożliw ość realizacji praktycznej tych falow ników i przydatność zastosow anych m etod analizy teoretycznej.

CLASS E FREQUENCY DOUBLERS

Sum m ary. T he paper presents basic properties o f two variants o f Class E frequency doublers. They are ones w ith parallel capacitor. Results o f m easurem ents are given in the paper. The inverters operated in optim um mode. The first one contained a bidirectional switch {D=0.75) - a M O SF E T transistor. An unidirectional sw itch (¿>=0.25) was used in the second inverter, com posed o f a M O SFET transistor and a series diode. So far the features o f the latter inverter have not been described in literature yet. The experim ental m easurem ents were in agreem ent w ith theoretical predictions and proved that practical realisation is possible. The m easurem ents also confirm ed usefulness o f the applied analysis method.

1. M O T Y W A C JA

B ezpośrednią m otyw ację do podjęcia pracy stanow iła potrzeba przeprowadzenia w eryfikacji eksperym entalnej zależności projektow ych oraz podstaw ow ych charakterystyk falow nika klasy E pracującego z podw ajaniem częstotliwości. Pod uwagę wzięto dwa falow niki podw ajające częstotliw ość. W pierw szym falowniku w ykorzystano zawór dw ukierunkow y, natom iast w drugim zaw ór jednokierunkow y.

100 Z. Kaczmarczyk 2. W P R O W A D Z E N IE

Falow nik klasy E jest niesymetrycznym /jednotranzystorowym falownikiem rezonansowym, w którym m oże być uzyskana kom utacja maksymalnie miękka - [6], Polega ona na tym, Ze trzy wartości spośród czterech charakteryzujących kom utację tranzystora, tzn. prąd i napięcie przy załączaniu oraz prąd i napięcie przy wyłączaniu, przyjm ują wartość zero. Do najważniejszych zalet falownika klasy E można zaliczyć prostotę układu sterowania i konstrukcji obwodu głów nego oraz dużą sprawność. Jego niekorzystne cechy to wysokie wartości maksym alne napięcia i prądu tranzystora w porównaniu z wartościami zasilającymi, a także w pływ zm ian wartości parametrów obwodu głównego i sterowania na warunki przełączania tranzystora.

Falow niki klasy E znajdują zastosowanie w w ysokoczęstotliw ościow ych systemach nagrzew ania indukcyjnego i hartow ania - [3], [5], systemach lewitacyjnych. przetwornicach napięcia stałego - [7] oraz urządzeniach radiokomunikacyjnych.

Interesującą alternatywę dla typowej pracy (bez powielania) falownika klasy E - [6]

stanowi praca z powielaniem częstotliwości - [1], [8]. W ystępuje ona, gdy częstotliwość pierwszej harmonicznej prądu wyjściowego falownika jest wielokrotnością częstotliwości przełączenia tranzystora. Z aletą pracy z powielaniem je st podwyższenie częstotliwości w yjściowej bez konieczności zmiany częstotliwości przełączeń tranzystora. Praktyczne znaczenie posiada praca z podwajaniem i potrajaniem częstotliwości - [1], [2j. Wynikiem zwiększania wartości współczynnika powielania (stosunku częstotliwości wyjściowej do częstotliw ości przełączania) je st konieczność zwiększenia mocy zainstalowanej użytego tranzystora, tzn. zastosow anie tranzystora o w yższym napięciu lub prądzie dopuszczalnym, w porów naniu z tranzystorem użytym do konstrukcji falownika o identycznej mocy, a pracującego bez powielania.

Prezentow ana w literaturze problem atyka dotycząca falowników klasy E pracujących z pow ielaniem częstotliwości ogranicza się jedynie do kilku pozycji - np. [1], [2], [8], Przedstaw ione w nich w yniki pomiarów eksperym entalnych odnoszą się do układów o niewielkiej mocy zasilającej (np. 900mW - [1], 500mW - [2], 70mW - [8]), co ogranicza ich przydatność w energoelektronice. Prezentowane tam wyniki dotyczą jedynie falowników pracujących z pow ielaniem częstotliwości, w których zastosowano zawór dwukierunkowy.

Rys. 1. F alow niki klasy E z zaw orem dw ukierunkow ym - a) oraz jednokierunkow ym - b>

Fig. 1. C lass E inverters w ith bidirectional switch - a) and w ith unidirectional switch - b)

Falow niki klasy E. 101

N a rys. 1 p rze d staw io n o schem aty falow ników k la sy E z rów noległym k o n d en sato rem , w któ ry ch u żyto zaw oru dw ukierunkow ego i je d n o k ieru n k o w eg o (przez zaw ór d w u k ieru n k o w y p rąd m oże przepływ ać w obu kierunkach, n ato m ia st przez zaw ór je d n o k ieru n k o w y ty lk o w jed n y m ). D o konstrukcji obu typów zaw orów w ykorzystano tran zy sto r M O S F E T , który w przypadku zaw oru jed n o k ieru n k o w eg o u zupełniono o d o d atk o w ą d io d ę szeregow ą.

P reze n to w an e poniżej w yniki analizy teoretycznej uzyskano na p odstaw ie m odelu o d cin k o w o -lin io w eg o falo w n ik a opisanego szczegółow o w p rac y [6]. Przyjęte pod staw o w e z a ło ż e n ia u p rasz cz ają ce to: elem enty obw odu głów nego falow nika są elem en tam i lin io w y m i, b ez stratn y m i, o p aram etrach skupionych, zaw ó r je s t łącznikiem idealnym - b e z s tra tn y m i b ezinercyjnym , źródło napięcia zasilająceg o falow nik E oraz dław ik L i s ą z a stę p o w an e p rze z rów n o w ażn e źródło p rądu o w ydajności J.

3. PR A C A O P T Y M A L N A Z PO D W A JAN IE M C ZĘ STO TLIW O ŚC I

Praca falow nika klasy E w w arunkach kom utacji m aksym alnie m iękkiej je st nazywana pracą optym alną. Jak w ykazano w pracy [4], istnieje w iele m ożliw ych przypadków pracy optymalnej falow nika klasy E, zależnych od wartości jego parametrów. W śród nich można w yróżnić m .in. pracę optym alną bez pow ielania częstotliw ości oraz prace optym alne z podw ajaniem częstotliw ości z zaw orem dw ukierunkow ym i zaw orem jednokierunkow ym .

a) b) c)

Rys. 2. P raca optym alna: bez pow ielania ( D - 0.5) - a) oraz z podw ajaniem częstotliw ości z zaworem dwukierunkowym (£>=0.75) - b) i zaworem jednokierunkowym (£>=0.25) - c) Fig. 2. O ptim um operation mode: w ithout m ultiplication (£>=0.5) - a), doubler with bidi­

rectional sw itch (£>=0.75) - b) and doubler with unidirectional switch (£>=0.25) - b)

102 Z.K aczm arczvk N a rys. 2 przedstawiono przykładowe przebiegi czasowe napięcia zaworu uz, prądu zaworu iz oraz prądu wyjściow ego ip, ilustrujące prace optymalne bez powielania częstotliwości przy i>=0.5 (typ zaworu nieistotny) - rys. 2 .a), z podwajaniem częstotliwości przy współczynniku wypełnienia 0= 0 .7 5 (zawór dwukierunkowy) - rys. 2.b) oraz z podwajaniem przy 0= 0.25 (zawór jednokierunkowy). W spółczynnik wypełnienia O wyraża stosunek czasu załączenia zaworu do okresu jego przełączeń. Dobroć wyjściowego obwodu rezonansowego Q h zdefiniowana jako Q,=sqrt(L2/C 2)/R, wynosiła 10.

W dalszej części pracy analizuje się przypadki pracy z podwajaniem częstotliwości z zaworem dw ukierunkow ym (Z>=0.75) i jednokierunkowym (77=0.25). Przypadek pierwszy może być zrealizowany praktycznie bezpośrednio z użyciem tranzystora MOSFET, bez konieczności stosowania dodatkowej diody. Realizacja powielania przy 77=0.25 wymaga dołączenia do tranzystora M O SFET diody szeregowej. W artości współczynnika wypełnienia 77=0.75, 0.25 w przybliżeniu zapew niają najlepsze wykorzystanie parametrów prądowo-napięciowych użytego zaworu - rozdz. 5.

4. PRACA SUB O PTY M A L NA Z PODW AJANIEM CZĘSTO TLIW OŚCI

N a rys. 3-6 przedstawiono przebiegi czasowe ilustrujące pracę suboptymalną falownika klasy E podwajającego częstotliwość.

1.25 1 . 2 0 1.15

01.10

-J

« * 1 . 0 5

-j

1 . 0 0 0.95

0.90

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

a) ft/Ropt b)

Rys. 3. Z ależność rodzaju pracy falow nika z zaw orem dw ukierunkow ym od w artości jego param etrów RIR,V, i L J L 2„,„ - a), praca suboptym alna dla punktu parametrów S l(0 .5 ,1 .0 9 ) - b)

Fig. 3. O peration m ode as a function o f R IR .^ -L ^ L ^ , param eters for the inverter with bidi­

rectional sw itch - a), w aveform s for param eters of point S l(0 .5 ,1 .0 9 ) (suboptim um m ode) - b)

Rys. 3.a) zaw iera graficzną interpretację zależności rodzaju pracy falow nika z zaworem d w u k ie ru n k o w y m od w z g lę d n e j zm ian y je g o p a ra m etró w R o raz L 2. O pis m etody

\D = 0.75, -s i/osjjw

J pr aca s u b op ty m al naJ

| pra ca n i e o p ty m a l n a ] _

—ł — 4--- 1-- 1

F alow niki klasy E.. 103 w ykorzystanej do obliczenia tej charakterystyki znajduje się w pracy [6]. W stępnie parametry falow nika s ą w yznaczane ja k dla pracy optymalnej z podw ajaniem częstotliw ości przy

£>=0.75 oraz Q \= 10 i w ynoszą: R op[,

L20pt, Ciopl, C20pt

fopt

CilC,0pt= 1, C2/C2opr=\Jfoprl

A nalogicznie w yznaczono zależność zilustrow aną na rys. 5.a), dotyczącą falow nika z zaw orem jednokierunkow ym (£>=0.25).

Rys. 4. Praca suboptym alna dla punktów param etrów S 2 (0 .5 ,l) - a) oraz S3(0.5,0.96) - b) Fig. 4. Suboptim um operation m ode for param eters o f points S 2 (0 .5 ,l)-a) and S3(0.5,0.96)-b)

a)

0 .0 0.2 0 4 0.6 0.8 1.0 1.

R/Ropt

Rys. 5. Zależność rodzaju pracy falownika z zaworem jednokierunkowym od wartości parametrów R/Ropt i L2/L2opl -a), praca suboptymalna dla punktu parametrów P1(0.S,1.21) - b)

Fig. 5. Operation mode as a function o f RIRopr^2 ^2 o p t parameters for the inverter with unidirectional switch-a), waveforms for parameters o f point Pl(0.5,1.21) (suboptimum mode) - b)

Praca optym alna je s t najbardziej pożądanym rodzajem pracy falownika, gdyż wówczas w ystępuje kom utacja m iękka - punkt 0 (1 ,1 ), rys. 2.b), c). Zm iany param etrów falownika prow adzą do pracy suboptym alnej lub nieoptym alnej.

104 Z.K aczm arczyk

Fig. 6. Suboptim um operation m ode for param eters o f points P 2 (0 .5 ,l)-a) and P3(0.5,0.96)-b)

Praca su boptym alna w ystępuje, gdy w chwili rozpoczęcia przew odzenia przez zawór w ystępuje zerow a w artość napięcia na zw orze (ZV S) oraz dodatni lub ujem ny skok prądu zaw oru (N Z C S) - rys. 3.b), rys. 4, rys. 5.b), rys. 6. Po zastosow aniu zaworu dw ukierunkow ego lub jednokierunkow ego uzyskuje się pracę suboptym alną falow nika przy param etrach R /R 0pt i zm iennych w zakresie w yznaczonym odpow iednio przez k rzy w ą S 1 -0 -S 3 z rys. 3.a) oraz P 1 -0 -P 3 z rys. 5.a). D la punktów param etrów S I (0.5,1.09), S3(0.5,0.96) oraz P l(0 .5 ,1 .2 1 ), P 3(0.5,0.96) m a m iejsce tzw. graniczna praca suboptym alna.

O dpow iednie przebiegi czasow e zam ieszczono na rys. 3-6.

Dla punktów parametrów znajdujących się na zewnątrz obszaru wyznaczonego przez krzywą graniczną S J -0 -S 3 lub P 1-0-P 3 falownik realizuje trzeci rodzaj pracy pracę nieoptym alną nie zamieszczono przebiegów. Towarzyszy jej obniżona sprawność, gdyż zawór falownika załączany jest przy niezerow ym napięciu i niezerowym prądzie - komutacja twarda (NZVS+NZCS).

5. W Y B R A N E W Ł A Ś C IW O ŚC I F A L O W N IK A K L A SY E P R A C U JĄ C E G O Z P O D W A JA N IE M C Z Ę ST O T L IW O ŚC I

N a rys. 7 i 8 zamieszczono zmiany względnych wartości rp>c (rezystancja wejściowa dla prądu stałego odniesiona do rezystancji obciążenia), u zmax (wartość m aksym alna napięcia na zaworze odniesiona do napięcia zasilania E), izmax (wartość m aksym alna prądu zaworu odniesiona do średniego prądu zasilania J), izrms (wartość skuteczna prądu zaworu odniesiona do J), w spółczynnika w ydajności mocowej c p ( c p = 1 /(u z m a x ‘Z m a x ) - [6]), zmodyfikowanego w spółczynnika w ydajności mocowej c p ' { c p ’= \ / { u z m a x ‘Z r m s ) ~ [6]) w funkcji współczynnika D.

U względniono przy ty m pracę op ty m aln ą falow nika z podw ajaniem częstotliw ości przy dobroci Q /= 10, odpow iednio dla zaw oru dw ukierunkow ego oraz jednokierunkow ego. Zmiany w spółczynnika D s ą ograniczone do pew nego zakresu, w ynikającego z istnienia rozwiązania

Falow niki klasy E.. 105 układu rów nań opisującego stan ustalonej pracy falownika. Bardziej szczegółow e w yjaśnienie powyższej problem atyki zaw arte je st w pracy [6].

Przy ustalonym zasilaniu falow nika (np. £=const) zm iany rezystancji wejściowej rDC m ogą być w ykorzystane do w yznaczenia zm ian mocy. W obu przypadkach rezystancja rDC zw iększa się ze zm niejszaniem D.

a) b) c)

Rys.7.Wykresy względnych wartości rezystancji rDC - a), napięcia maksymalnego prądu maksymalnego i prądu skutecznego - b) oraz współczynników cP i c,.’ -c) dla falownika z zaworem dwukierunkowym w funkcji współczynnika wypełnienia D przy 01=10

Fig.7. Properties o f the inverter with bidirectional switch: input resistance rx - a), peak switch voltage Mz™„, peak switch current ¿Zm(„ and rms value o f switch current i-/jms - b) and ratios cP i cp' - c) versus switch duty cycle D (<2,= 10)

a) b) c)

Rys. 8. W ykresy rezystancji rDC - a), napięcia u ^ , prądów i izrms - b) oraz w spół­

czynników cp i cp ’ - c) dla falow nika z zaw orem jednokierunkow ym w funkcji D ( 2 ,= 10)

Fig. 8. Properties o f the inverter with unidirectional switch: input resistance rDC - a), voltage u ^ , currents and iz,m, - b) and ratios cF i cP’ - c) versus D (Q,= 10)

106 Z.K aczm arczvk W spółczynniki cP oraz cP’ um ożliw iają dobór wartości w spółczynnika w ypełnienia D ze w zględu na najlepsze w ykorzystanie dopuszczalnych param etrów napięciow o-prądow ych zaw oru - [6], W przypadku zaw oru dw ukierunkow ego w artość w spółczynnika D powinna w ynosić w przybliżeniu 0.75, natom iast dla zaw oru jednokierunkow ego pow inna być równa około 0.2. N a p otrzeby w eryfikacji eksperym entalnej przyjęto w artości D na poziomie 0.75 i 0.25.

6. W E R Y F IK A C JA E K S P E R Y M E N T A L N A

S chem aty skonstruow anych falow ników klasy E z rów noległym kondensatorem z zaw orem dw ukierunkow ym (D=0.75) i jednokierunkow ym (D=0.25) znajdują się na rys. 1.

Zdjęcia falow ników z zaznaczonym rozm ieszczeniem podstaw ow ych elem entów przedstaw ia rys. 9. W artości poszczególnych elem entów falow nika obliczono m etodą opisaną w pracy [6], a następnie skorygow ano na podstaw ie odpow iednich pom iarów oscyloskopow ych. W konstrukcji dław ika L , w ykorzystano rdzeń ferrytowy, pojem ności C, i C2 zestaw iono z kondensatorów typu FKP, cew kę w yjściow ą naw inięto przew odem m iedzianym , a rezystancję obciążenia stanow ią dw a połączone rów nolegle rezystory mocy. U żyto tranzystora M OSFET typu IR F 740 (400V , 10A). W przypadku konstrukcji falow nika z zaworem jednokierunkow ym dodatkow o w ykorzystano diodę szybką typu BY W 29 (200V , 8A).

Rys. 9. W idok podstaw ow ych elem entów skonstruow anych falow ników z zaw orem dw ukie­

runkow ym - a) oraz z zaw orem jednokierunkow ym - b)

Fig. 9. P hotograph o f the inverter with bidirectional switch - a) and the one with unidirectional sw itch - b)

6.1. F a lo w n ik z z a w o re m d w u k ie ru n k o w y m

P om ierzone oscyloskopow o przebiegi falow nika zam ieszczono na rys. 10. S ą to kolejno, napięcie sterujące bram ki uc, napięcie na zaw orze uz, prąd zaw oru iz oraz prąd obciążenia iR.

D okonano rów nież w yznaczenia chw ilow ych strat m ocy tranzystora p s, ^ u ziz - rys. lO.b).

N apięcie zasilania E było rów ne 40V, prąd zasilania J - 3.6A (P=144W ), a wartości

Falow niki klasy E. 107

pozostałych param etrów zestaw iono w tab. 1. Obliczona wartość strat mocy przewodzenia w ynosiła 28W , a spraw ność 77=80.6%. Sprawność falownika w yznaczona na podstawie w artości lR rm s=5.87A i /?=3.37Q (tab. 1) była rów nież rów na 80.6%.

Rys. 10.Praca optym alna: oscylogram y przebiegów falow nika ( u / w normalnej skali) - a), w yznaczenie chw ilow ych strat m ocy przewodzenia tranzystora p str= u Z ‘Z - b)

Fig. 10. O ptim um operation mode: m easured w aveform s o f the inverter («z in normal scale) - a), calculation o f the instantaneous conducting loss o f the transistor P s i^ u z iz - b)

Tabelal Porów nanie obliczonych i zm ierzonych param etrów falow nika

Param etr D f [M H z R [ Q 1 L2 [pH J Ql ^{C , [nF ]} C2 [nF]

r DC uZm ax 1Zmax ‘Zrms ‘Rrms W artość

obliczona 0.75 1 3.37 2.62 9.05 2.55 2.83 2.15 7.2 3.31 1.67 1.47

W artość

zm ierzona 0.752 1 3.37 2.62 8.71 1.95 3.05 3.3 6.55 3.65 1.78 1.63

R óżnica [%] -0.3 0 0 0 3.9 30.8 -7.2 -34.8 9.9 -9.3 -6.2 -9.8

R óżnica [%] = (w artość obliczona - wartość zm ierzona)/(w artość zm ierzona)-100%

6.2. F alow nik z zaw orem jednokierunkow ym

W yniki pom iarów oscyloskopow ych falow nika przedstaw iono na rys. 11. Zaznaczone na nim napięcie u z odnosi się do całej gałęzi złożonej z tranzystora i diody. Napięcie u j zostało zm ierzone n a sam ym tranzystorze. W w yniku szeregow ego połączenia diody oraz pasożytniczej pojem ności tranzystora je g o załączenie odbyw a się przy niezerow ym napięciu.

Po porów naniu przebiegów z rys. 10 z przebiegam i z rys. 11 m ożna zauw ażyć w iększą am plitudę drgań pasożytniczych w drugim przypadku. Jest to spow odow ane większą w artością indukcyjności pasożytniczej zaw oru jednokierunkow ego.

F alow nik zasilany był napięciem E= 73V, a prąd zasilania w ynosił J= 1.9A (P=138.7W ).

W artości innych param etrów charakteryzujące pracę falow nika zam ieszczono w tab. 2.

W yznaczona w artość strat m ocy przew odzenia w ynosiła 15.7W, a spraw ność 77= 88.7 %.

Spraw ność falow nika obliczona na podstaw ie wartości skutecznej prądu obciążenia lRrms=5.95A i rezystancji R=3.38Q (tab. 2) by ła rów na 86.2%.

108 _________________________________ __________________________________ Z.K aczm arczyk

Rys. 11. P om iary oscyloskopow e - a), chw ilow e straty mocy przew odzenia P str=uZ ‘Z - b) Fig. 11. M easured w aveform s -a),instantaneous conducting loss Pstr=uZ ‘Z - b)

P orów nanie obliczonych i zm ierzonych param etrów falow nika Param etr D f[ M H z R [ 0 ] ¿2 [pH ]

Ql

c

[nF]

r DC u Z m a x l 7 .m a x rZ n n s IR rm s

W artość

obliczona 0.25 1 3.38 4.03 11.29 2.34 2.77 9.12 5.51 5.57 2.17 3.02

W artość

zm ierzona 0.248 1 .0 1 3.38 4.03 11.20 2.21 2.81 11.37 4.88 6.03 2.36 3.13

R óżnica [%] 0.8 -1 0 0 0.8 5.9 -1.4 -19.8 12.9 -7.6 -8.2 -3.5

7. W N IO SK I

W pracy przedstaw iono w ybrane w łaściw ości oraz w yniki pom iarów laboratoryjnych podw ajających częstotliw ość falow ników klasy E z rów noległym kondensatorem . W konstrukcjach falow ników w ykorzystano zaw ór dw ukierunkow y (M O SFET IRF740) i jednokierunkow y (M O SF E T IR F740 + dioda BYW 29).

W yniki pom iarów laboratoryjnych potw ierdzają popraw ność zastosow anych metod analitycznych. Z w yjątkiem param etrów C ] i rp>Q uzyskana różnica w zględna mieści się w g ran ic ac h 10%. Je st to sp o w o d o w an e nieu w zg lęd n ien iem pojem ności w yjściow ej tra n z y sto ra ( C ^5= 0 .3 n F ) oraz z pom inięciem w analizie teoretycznej je g o rezystancji

Falow niki klasy E.. 109 p rze w o d z en ia (R ps/R = 0.39). Zw iększenie dokładności w yznaczenia w artości rezystancji r p c je st m ożliw e przez w ykorzystanie następującej zależności: rD C = R D s^ ‘Zrms2+iRrms2-

Skonstruow ane m odele laboratoryjne falow ników podw ajające częstotliw ość (często­

tliw ość sterow ania y = lM H z) pracowały w w arunkach optym alnych. Spraw ność falow nika z zaw orem dw ukierunkow ym w ynosiła 81% (£=40V , J= 3.6A, P =144W ), natom iast dla falow nika z zaw orem jednokierunkow ym była ona równa 86% (E=73V, .7=1.9A, /*=139W).

U zyskane spraw ności falow ników są niższe od sprawności falow nika pracującego bez pow ielania, której w artość osiąga 91% - [6],

LITER A TU R A

1. A lbulet M.: A nalysis and D esign o f the Class E Frequency M ultipliers w ith RF Choke, IEEE Trans. O n C ircuits and System s-I, vol. 42, no. 2, 1995, 95-104.

2. A lbulet M., R adu S.: Exact Analysis o f Class E Frequency M ultiplier w ith Finite D C-Feed, A rchiv fur Elektronik und Übertragungstechnik, vol. 50, no. 3, 1996, 215-221.

3. G rzesik B., K aczm arczyk Z., Junak J.: System indukcyjnego topienia proszków metali.

IV Szkoła - K onferencja Elektrotechnika - Prądy N iesinusoidalne, Zielona G óra 18-20 czerw ca 1998, s. 192-201.

4. G rzesik B., K aczm arczyk Z.: M ożliw ości realizacji pracy optym alnej falow nika klasy E, S E N E ’99, 17-19 listopad 1999,217-222.

5. H inchliffe S., H obson L., Houston R. W.: A high pow er Class E am plifier for high- frequency electric process heating, Int. J. Electronics, vol. 64, no. 4, 1988, pp. 667-675.

6. K aczm arczyk Z.: A naliza energoelektronicznych falow ników klasy E w ysokiej często­

tliw ości, praca doktorska, Pol. Śląska, Inst. Elektrotechniki Teoretycznej i Przem ysłowej, G liw ice 1996.

7. K azim ierczuk M. K., Czarkow ski D.: Resonant pow er converters, John W iley & Sons, Inc., U SA 1995.

8. Zulinski R.E., Steadm an J. W.: Class E power am plifiers and frequency m ultipliers with finite D C -feed inductance, IEEE Trans, on Circ. and System s, vol. CA S-34, no. 9, 1987,

1074-1087.

Recenzent: D r hab. inż. Bogusław G RZESIK , prof. Pol. Śl.

W płynęło do R edakcji 10 kw ietnia 2000 r.

Pracę zrealizow ano w ram ach projektu badawczego KBN nr 8 T10A 033 17, 1999/2000.

110 Z.K aczm arczyk A b s tr a c t

Properties o f the Class E inverter are well-known when it operates with standard control. It can also operate as a frequency multiplier. Its basic variants are described in the paper, i.e.

frequency doublers. The advantages o f the Class E inverter are: soft-com m utation (hence high efficiency), sm all w eight and size, low level o f EMI (Electrom agnetic Interference), simplicity o f its topology (only one transistor) and sim ple control. In case o f the frequency m ultiplier the output frequency is higher than the switching frequency.

Tw o variants o f Class E frequency doublers were taken into account. They are ones w ith parallel capacitor. The first one (Fig. l.a) contained a bidirectional switch (D=0.75) - a M O SFET transistor w ith anti-parallel diode. A n unidirectional switch (£>=0.25) was used in the second doubler (Fig. lb ), com posed o f a M OSFET transistor and a series diode.

The both doublers operated in optim um mode. The motivation for the work was that the features o f the second variant o f the doubler have not been reported in literature yet.

The optim um m ode o f operation is described in Section 3 - Fig.2. The standard optimum operation for sw itch duty cycle Z>=0.5 (without frequency multiplication) is presented in Fig. 2a.

The optim um m ode o f a frequency doubler w ith bidirectional switch (Fig. la ) for £>=0.75 is described basing on w aveform s from Fig. 2b. Finally, optim um mode o f the doubler with unidirectional sw itch (Fig. 2b), for £>=0.25 is discussed by means o f w aveform s from Fig. 2c.

The suboptim um m ode o f operation o f the frequency doubler is given in Section 4. The features are illustrated by R-L characteristics and the relevant waveform s o f voltages and currents. Figs. 3 and 4 concern the first variant o f the doubler, while Figs. 5 and 6 are related to the second one.

The selected characteristics o f the doublers were calculated and shown in Section 5. They all are given as a function o f the switch duty cycle D and presented in Figs. 7 and 8. They are input resistance rp>c=Rp)c/R, peak switch voltage u z m ax< Pea^ switch current ¡Zmax’ rms value o f switch current iZrm s an<f pow er-output capability ratios cp, c p , respectively.

The experim ental doublers and the results o f measurem ents are presented in section 6. The photograph o f the inverters is shown in Fig. 9. The Sub-Section 6.1 is devoted to the first variant o f the doubler (w ith the bidirectional switch) and the next one, to the second doubler (with unidirectional switch). The m easurem ents were m ade for optim um mode. The basic technical data o f the doubler is, for the first case: IRF740 transistor, £= 40V, J=3.6A , £=144W , efficiency t7=81% and for the second case: IRF740 transistor in series with BYW 29 diode, £= 73V, J=1.9A , £= 139W , 7=89%. Results o f the m easurem ents are tabulated in

Tabs. 1 and 2. The data o f the second raw in the tables are those calculated when using PWL model while the third raw contains the data measured after the optim um m ode had been obtained (by m eans o f the relevant adjustment).