БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования энергии переменного напряжения путем его выпрямления и последующего преобразования в постоянное или переменное напряжение. Оно может быть использовано в устройствах вторичного электропитания.

Известны бестрансформаторные преобразователи напряжения, содержащие сетевой выпрямитель, выпрямляющий первичное переменное напряжение и далее оно используется для преобразования в высокочастотное переменное напряжение. Здесь для питания схемы управления применяется гасящий резистор, при помощи которого осуществляется снижение постоянного высокого напряжения до норм, требующихся для элементной базы схемы управления [1] . Такие схемы преобразователей неэффективны из-за относительно большой мощности, рассеиваемой гасящим резистором.

Известны также бестрансформаторные преобразователи, у которых снижение высокого напряжения первичной сети осуществляется при помощи реактивного гасящего сопротивления, а именно конденсаторного [2] . Преимуществом таких преобразователей является отсутствие потерь мощности на гасящем сопротивлении. Однако, такие конденсаторные гасящие схемы не могут быть использованы в преобразователях типа [2] из-за наличия общей точки у силового сетевого выпрямителя и вспомогательного выпрямителя, питающегося от конденсаторного гасящего сопротивления.

Известны также преобразователи, являющиеся аналогом устройства [1] , у которых для питания схемы управления применяется активный гасящий резистор, рассеивающий существенную мощность [3] . Это устройство является наиболее близким как по технической сущности работы, так и по схемотехнике, к предлагаемому бестрансформаторному преобразователю напряжения.

Недостатком такого преобразователя является низкая энергетическая эффективность из-за относительно большой мощности, рассеиваемой гасящим резистором. Это приводит также к ухудшению массогабаритных характеристик.

Целью предлагаемого устройства является устранение этого недостатка, а именно увеличение энергетической эффективности бестранформаторного преобразователя, питающегося от переменного напряжения первичной сети. Кроме того, при использовании современных высокоэффективных высоковольтных конденсаторов, может быть достигнуто улучшение массогабаритных характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в бестрансформаторный преобразователь введен первый конденсатор, ток которого через зарядный диод от сети переменного напряжения заряжает фильтрующий конденсатор и определяет вспомогательное напряжение для питания схемы управления, а разряд через разрядный диод осуществляет приведение этого конденсатора к нулевым начальным условиям. Кроме того, для снижения пульсаций напряжения питания схемы управления и повышения его величины, в преобразователь введены вторые конденсатор и зарядный и разрядный диоды, где второй конденсатор разряжается и заряжается в противоположный относительно первого конденсатора полупериод переменного напряжения сети. Для повышения стабильности напряжения питания сети параллельно фильтрующему конденсатору включен стабилитрон.

На фиг. 1 и 2 приведены схемы бестрансформаторного преобразователя напряжения; на фиг. 3 - временные диаграммы работы преобразователя по схеме фиг. 1.

Преобразователь по схеме фиг. 1 содержит сетевой выпрямитель 1, входные выводы которого соединены с первой 2 и второй 3 сетевой шинами, а выходные выводы положительной 4 и отрицательной 5 полярности напряжения подключены к питающим входам силового каскада преобразователя, условно изображенного в виде последовательного соединения силового трансформатора 6 и силового транзистора 7. В качестве силового каскада может быть использован практически любой известный транзисторный или тиристорный преобразователь постоянного напряжения. База силового транзистора 7 подключена к управляющему импульсному выходу схемы управления 8, временные параметры импульсов которого изменяются в соответствии с сигналом обратной связи - ОС. Питающий вход схемы управления 8 соединен с катодом стабилитрона 9, первым выводом фильтрующего конденсатора 10 и катодом первого зарядного диода 11. Анод диода 11 подключен к катоду первого разрядного диода 12 и через первый конденсатор 13 - к первой сетевой шине 2. Выходной вывод 5 отрицательной полярности сетевого выпрямителя 1 соединен с вторым выводом фильтрующего конденсатора 10, анодом стабилитрона 9 и с общим выводом схемы управления 8.

Преобразователь по схеме фиг. 2, кроме описанных элементов, содержит второй конденсатор 14, подключенный между второй сетевой шиной 3 и точкой соединения анода и катода вторых зарядного 15 и разрядного 16 диодов, катод и анод которых подключены к катоду и аноду первых зарядного 11 и разрядного 12 диодов.

Временные диаграммы на фиг. 3 содержат эпюру 17 - напряжения между сетевыми шинами 2 и 3; эпюру 18 - напряжения между первой шиной 2 и точкой 5 сетевого выпрямителя 1; эпюру 19 - тока через первый конденсатор 13; эпюру 20 - напряжения на фильтрующем конденсаторе 10.

Преобразователь напряжения по схеме фиг. 1 работает следующим образом.

Рассмотрим первый полупериод наличия сетевого напряжения (время от нуля до Т/2 эпюры 17 временных диаграмм фиг. 3). При этом на сетевой шине 2 относительно общего полюса (например, анода первого разрядного диода 12) будет присутствовать положительная полуволна синусоиды, как это показано на эпюре 18 фиг. 3. От этого напряжения должен заряжаться конденсатор 13. Однако ток его заряда появится только после того, как напряжение на шине 2 превысит напряжение вспомогательного источника питания U_В, питающего схему управления 8. После сравнивания этих напряжений откроется диод 11 и конденсатор 13 начнет заряжаться, что приведет к заряду фильтрующего конденсатора 10 и увеличению напряжения на нем (см. эпюру 20 временных диаграмм фиг. 3). Заряд конденсатора 13 будет происходить на протяжении времени Т/4, то есть до тех пор, пока напряжение сети увеличивается. Когда оно достигнет максимума, заряд конденсатора 13 прекратится и начнется его разряд через разрядный диод 12.

Далее на протяжении времени от Т/2 до Т конденсатора 13 разряжен, так как напряжение на шине 2 (относительно общего полюса) равно нулю диоды 11 и 12 заперты и фильтрующий конденсатор 10 разряжается на схему управления 8, поддерживая на ней напряжение постоянной составляющей. Таким образом осуществляется питание схемы управления 8. Она обеспечивает импульсами силовой транзистор 7, осуществляющим преобразование постоянного напряжения в переменное.

Следовательно, понижение высокого напряжения сетевых шин осуществляется при помощи конденсатора 13, и, при этом, не существует активных потерь мощности, снижающих энергетическую эффективность устройства.

Преобразователь напряжения по схеме фиг. 2 отличается от описанного тем, что на протяжении интервала времени от Т/2 до Т заряжается и разряжается второй конденсатор 14 от сетевой шины 3. Это вызывает как уменьшение пульсаций напряжения питания схемы, так и увеличение его постоянной составляющей примерно в два раза. Процессы включения и выключения диодов 15 и 16 происходят, как и в предыдущем случае, но на интервале времени от Т/2 до Т.

Следовательно, введение вторых конденсатора 14 и диодов 15 и 16 осуществляет двухполупериодную работу схемы выпрямления и снижения пульсаций напряжения питания схемы управления 8, что дает возможность для уменьшения емкости фильтрующего конденсатора 10, а также конденсатора 13.

Для повышения стабильности напряжения питания схемы управления 8, в частности, при изменении потребляемого тока, применен стабилитрон 9, ток через который (минимальный при максимальной нагрузке, или максимальный при минимальной нагрузке) определяется средним током через конденсатор 13 (или 13 и 14), который, в свою очередь, зависит от угла включения диода 11 (или диодов 11 и 15). А угол включения определяется напряжением стабилизации стабилитрона 9. Импульсные токи через диоды 11 и 15 сглаживаются конденсатором 10 и не влияют на нагрузку стабилитрона 9.

Следовательно, использование предлагаемого устройства дает возможность исключить потери активной мощности на снижение высокого напряжения до уровня напряжения питания схемы управления. При этом возможны два варианта реализации схемы - с однополупериодным и с двухполупериодным режимами работы. В зависимости от конкретных требований при разработке может быть использован один из вариантов. При однополупериодном режиме требуется всего один конденсатор, однако напряжение питания схемы управления в два раза меньше, чем при двухполупериодном режиме, для которого требуется два конденсатора. (56) 1. Патент США N 4837670, кл. H 02 M 3/335, 1989.

2. Авторское свидетельство СССР N 1561171, кл. H 02 M 3/335, 1990.

3. Заявка Японии N 64-12185, кл. H 02 M 3/335, 1989.

Сущность изобретения: в устройстве применены конденсаторы 13 и 14 для снижения высокого напряжения до напряжения питания схемы управления 8. Конденсаторы 13 и 14 заряжаются и разряжаются через зарядные 11 и 15 и разрядные 12 и 16 диоды. Преимуществом устройства является исключение потерь активной мощности при снижении напряжения гасящими сопротивлениями, в данном случае реактивными (конденсаторными). Возможны два режима работы снижения напряжения - однополупериодный и двухполупериодный. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий сетевой выпрямитель, входные выводы которого соединены с первой и второй сетевыми шинами, а выходные выводы положительной и отрицательной полярности подключены к питающим входам силового каскада преобразователя, управляющим входом соединенного с выходом схемы управления, отличающийся тем, что сетевая шина через первый конденсатор подключена к точке соединения анода и катода первых зарядного и разрядного введенных диодов, причем катод первого из них соединен с питающим входом схемы управления и через введенный фильтрующий конденсатор - с выходным выводом отрицательной полярности сетевого выпрямителя, общим выводом схемы управления и анодом разрядного диода. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что вторая сетевая шина через второй введенный конденсатор подключена к точке соединения анода и катода вторых зарядного и разрядного введенных диодов, катод и анод которых соединены с катодом и анодом первых зарядного и разрядного диодов соответственно. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что параллельно фильтрующему конденсатору включен стабилитрон.