ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02M3/315 H02M3/305 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям постоянного напряжения, и может быть использовано для преобразования постоянного высоковольтного напряжения (в частности, 4 кВ) в заданное количество постоянных напряжений различных уровней.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к первому выводу первичной обмотки силового трансформатора и к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, управляющий вход которого соединен с выходом соответствующего блока формирования сигналов управления, вторичную обмотку силового трансформатора, подключенную через выпрямитель и фильтр к шинам выходного напряжения, и генератор задающий частоты (патент GB N 2045550, кл. H 02 M 3/24 от 1980 г.).

Однако это известное устройство не способно обеспечить надежную работу полупроводниковых ключевых элементов преобразователя при высоковольтном входном напряжении, так как не имеет соответствующих защитных узлов, предохраняющих их в момент коммутации, позволяющих раздельно определять состояние каждого из плеч моста.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий генератор задающей частоты и мост, плечи первой стойки которого образованы конденсатором, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ячеек, управляющие выходы которых объединены с управляющим входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и подключены к выходу соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с соответствующим выходом переключающего элемента, к диагонали моста подключены выводы первичной обмотки силового трансформатора, вторичные обмотки которого через соответствующие выпрямители и фильтры соединены с шинами выходного напряжения, а к логическому выходу полупроводникового ключевого элемента одного плеча второй стойки моста подключен вход первого логического элемента объединения (см. патент РФ N 2111602, кл. H 02 M 3/315, 1997 г.).

Однако и это известное устройство не обеспечивает эффективную защиту силовых ключевых элементов, особенно при аварийных режимах работы, которые имеют место при ненормированном отсутствии выключения или одновременном включении силовых ключевых элементов.

Техническим результатом является обеспечение надежной работы устройства при аварийных режимах из-за ненормированного отсутствия выключения или одновременного включения силовых ключевых элементов.

Для этого в преобразователь постоянного напряжения, содержащий генератор задающей частоты и мост, плечи первой стойки которого образованы конденсатором, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ключевых ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и подключены к выходу соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с соответствующим входом переключающего элемента, к диагонали моста подключены выводы первичной обмотки трансформатора, вторичные обмотки которого через соответствующие выпрямители и фильтры соединены с шинами выходного напряжения, а к логическому выходу полупроводникового ключевого элемента одного плеча второй стойки моста подключен вход первого логического элемента объединения, согласно изобретению введены второй логический элемент объединения, блок запрета и блок разрешения, два блока задержки и элемент И для определения состояния ключевых ячеек в моменты времени (m-1)T, mT - (T/2), (m-1)T + (Tф+Tр/2) и mT + Tф + (Tр - T)/2, где Tр - период частоты колебательного контура на холостом ходу, m = 1, 2, ... т.д. - номер текущего периода T частоты переключения ключевых ячеек, одни из которых имеют фазу включения, равную (-Tф), а другие - фазу, равную (-T/2-Tф), и T/2 > (Tр + 2Tф), причем выход первого логического элемента объединения подключен к первым входам блоков запрета и разрешения, вторые входы которых подключены к выходу второго логического элемента объединения, вход которого соединен с логическим выходом полупроводникового ключевого элемента второго плеча второй стойки моста, выход генератора заданной частоты соединен со входом первого блока задержки и с третьим входом блока разрешения и через второй блок задержки с третьим входом блока запрета, выход которого и выходы блока разрешения и первого блока задержки подключены к соответствующим входам элемента И, выход которого соединен со входом переключающего логического элемента, кроме того, блок запрета выполнен в виде триггера-защелки, у которого два логических входа собраны по схеме ИЛИ, а блок разрешения выполнен в виде триггера-защелки, у которого два логических входа собраны по схеме И.

Сущность изобретения заключается в том, что введение вышеуказанных элементов и их соответствующее соединение позволили раздельно определять состояние полупроводниковых ключевых элементов каждого из плеч моста в различные моменты времени и своевременно осуществлять их защиту в моменты аварийных ситуаций.

Так, определение состояния ключевых ячеек в момент времени (m-1)T, mT - (T/2), (m-1)T + (Tф + Tр/2) и mT + Tф + (Tр - T)/2, где Tр - период частоты колебательного контура на холостом ходу, m= 1,2... т.д. - номер текущего периода T частоты переключения ключевых ячеек, при этом принято, что одна из них имеет фазу включения, равную (-Tф), а другая имеет фазу, равную (-T/2 - Tф), и T/2 > (Tр + 2Tф), позволило повысить эффективность и помехоустойчивость защиты полупроводниковых ключевых элементов и соответственно обеспечить надежное функционирование преобразователя в случае возникновения аварийных режимов работы, которые имеют место при ненормированном отсутствии выключения или одновременном включении силовых ключевых ячеек.

Сравнение предлагаемого преобразователя с ближайшими аналогами позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие отличительных признаков говорит о выполнении критерия "изобретательский уровень". Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного внедрения.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - временная диаграмма.

Преобразователь постоянного напряжения содержит шины 1, 2 входного высоковольтного напряжения, к которым подключены одни выводы конденсаторов 3 и 4, образующие плечи первой стойки моста. Другие выводы конденсаторов 3 и 4 подключены к диагонали моста, образованной колебательным контуром из последовательно соединенных реактора 5 и конденсатора 6, параллельно которой подключены выводы первичной обмотки 7 силового трансформатора 8, вторичные обмотки 9-1...9-К которого через выпрямители 10-1...10-К и соответствующие фильтры 11-1...11-К подключены к шинам 12-1...12-К, 13-1...13-К выходного напряжения.

Каждое из плеч второй стойки моста образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ключевых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N, управляющие входы которых объединены с входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и соединены с выходом соответствующих блоков 16 и 17 формирования сигналов управления, вход каждого из которых подключен к соответствующему парафазному выходу 18 или 19 переключающего логического элемента 20, вход 21 которого подключен к выходу элемента И 22.

Кроме того, устройство содержит генератор 23 задающей частоты, первый и второй логические элементы 24 и 25 объединения, блоки 26 и 27 запрета и разрешения, первый и второй блоки 28 и 29 задержки соответственно.

Каждая тиристорная ключевая ячейка 14-i (15-i) содержит силовой тиристор 30, параллельно которому соединены обратновключенный диод 31 и последовательно подключенные балластный резистор 32 с оптопарой 33, выход которой является логическим выходом соответствующего полупроводникового ключевого элемента.

Выход первого логического элемента 24 объединения подключен к первым входам 34 и 35 блоков 26 и 27 запрета и разрешения, вторые входы 36 и 37 которых подключены к выходу второго логического элемента 25 объединения, вход которого соединен с логическим выходом полупроводникового ключевого элемента второго плеча второй стойки моста.

Выход генератора 23 соединен со входом первого блока 28 задержки, с третьим входом 38 блока 27 разрешения и через второй блок 29 задержки с третьим входом 39 блока 26 запрета, выходы которого и выходы блока 27 разрешения и первого блока 28 задержки подключены к соответствующим входам элемента И.

Переключающий логический элемент 20 может быть выполнен в виде счетного триггера. Блок 26 запрета может быть выполнен в виде триггера-защелки, у которого два логических входа (запрета) собраны по схеме ИЛИ, а блок 27 разрешения выполнен в виде триггера-защелки, у которого два логических входа (запрета) собраны по схеме И.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче напряжения питания все блоки устанавливаются в исходное положение и генератор 23 начинает постоянно с требуемой частотой вырабатывать импульсы управления на блоки 28, 29 задержки и на вход 38 блока разрешения 27.

При отсутствии аварийной ситуации, связанной с ненормированным отсутствием выключения ключевых ячеек, в момент времени поступления импульса с генератора 23 на вход 38 блока 27 разрешения к выключенным ключевым элементам 14-1...14-N и 15-1...15-N приложено напряжение, под действием которого через резисторы 32 по светодиодам 33 протекают токи, под действием которых на фотоприемниках последних формируется сигнал о готовности ключевых ячеек 14-i и 15-i обоих плеч стойки (лог. "1"). В результате на входы 35 и 37 блока 27 поступают сигналы разрешения, которые в соответствии с соединением по логической схеме И формируют в последнем внутренний сигнал запрета счета. В связи с этим, несмотря на поступления на вход 38 импульса с генератора 23 (в моменты времени, соответствующие ((m-1)T, mT-T/2), на выходе блока 27 остается разрешающий сигнал (лог. "1").

После момента времени Tф сигнал с генератора 23 через блок 28 задержки поступает на вход элемента И 22, который при наличии разрешающих сигналов на выходах блоков 26 и 27 формирует на входе 21 переключающего логического элемента 20 сигнал, под действием которого на очередном выходе 18 или 19 вырабатывается импульс, по фронту либо по срезу которого соответствующий блок 16 или 17 формирует сигнал управления на открытие соответствующих ключевых ячеек 14-1...14-N и 15-1...15-N.

Входное постоянное напряжение при очередном открывании ключевых ячеек 14-1...14-N верхнего плеча или ключевых ячеек 15-1...15-N нижнего плеча преобразуется на реакторе 5 и конденсаторе 6 колебательного контура в однофазное переменное напряжение и подается на первичную обмотку 7 силового трансформатора 8, которое из одного уровня преобразуется во вторичных обмотках 9. ..1-9-K в требуемые напряжения других уровней, которые после выпрямителей 10-1. . .10-K и сглаживающих фильтров 11-1...11-K образуют на положительных выходных шинах 12-1...12-K и отрицательных выходных шинах 13-1.. .13-K требуемые выходные напряжения преобразователя.

После момента времени Tф + Tр/2 импульс с генератора 23 через блок 29 задержки поступает на вход 39 блока 26 запрета. При отсутствии аварийной ситуации, связанной с ненормированным одновременным включением ключевых ячеек, в момент времени поступления данного импульса, к очередным выключенным ключевым элементам 14-1...14-N или 15-1...15-N приложено напряжение, под действием которого через соответствующие резисторы 32 по светодиодам 33 протекают токи, под действием которых на фотоприемниках последних формируется сигнал готовности ключевых ячеек 14-i или 15-i. В результате на входах 34 или 36 формируется сигнал разрешения, который в соответствии с их соединением по логической схеме ИЛИ вырабатывает внутренний сигнал счета блока 26. В связи с этим, несмотря на поступление на вход 39 импульса с блока задержки 29, на входе блока 26 остается разрешающий сигнал.

В случае возникновения аварийной ситуации, связанной с ненормированным отсутствием выключения ключевых ячеек, на одном из элементов 14-1...14-N или 15-1...15-N будет напряжение, близкое к нулю, и соответственно либо блок 24, либо 25 вырабатывает сигнал о не готовности, в результате чего после поступления на вход 38 фронта либо среза выходного сигнала генератора 23 блок 27 не вырабатывает сигнала разрешения, который не позволит прохождению импульсов с блока 28 через элемент И 22 на переключающий элемент 20.

Соответственно, элемент 20 перестает периодически переключаться и преобразователь выключится, не входя в режим опрокидывания, что соответственно существенно повышает срок службы ключевых элементов и надежность устройства в целом.

В случае возникновения аварийной ситуации, связанной с ненормированным одновременным включением ключевых ячеек, на всех ключевых ячейках 14-1... 14-N и 15-1...15-N будет напряжение, близкое к нулю, и соответственно блоки 24 и 25 вырабатывают сигнал о не готовности, в результате чего в момент времени Tф + Tр/2 после фронта либо среза выходного импульса генератора 23 блок 29 задержки сформирует сигнал, под действием которого на выходе блока 26 появится сигнал запрета, который не разрешит прохождение сигнала с блока 28 через элемент И 22 на переключающий логический элемент 20. Соответственно, элемент 20 перестанет периодически переключаться и преобразователь выключится, своевременно выходя из режима опрокидывания, что соответственно также существенно повышает срок службы ключевых элементов и соответственно всего устройства.

Благодаря определению ненормированного отсутствия выключения или одновременного включения ключевых ячеек и своевременному снятию с них управляющих сигналов преобразователь выключается до развития аварийного режима. При этом благодаря определению ненормированного отсутствия выключения или одновременного включения ключевых ячеек в моменты времени (m-1)T, mT - (T/2), (m-1)T + (Tф + Tр/2) и mT + Tф + (Tр-T)/2, при которых электромагнитные помехи имеют минимальные значения, обеспечивается помехоустойчивость преобразователя.

Таким образом обеспечивается решение поставленной задачи: повышение эффективности и помехоустойчивости защиты силовых ключевых полупроводниковых элементов и соответственно надежности функционирования преобразователя.

Преобразователь предназначен для формирования из входного постоянного высоковольтного напряжения заданного количества выходных напряжений различных уровней. Для обеспечения надежной работы при аварийных режимах, то есть для достижения технического результата, введены второй логический элемент объединения, блок запрета и блок разрешения, два блока задержки и элемент И. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Преобразователь постоянного напряжения, содержащий генератор задающей частоты и мост, плечи первой стойки которого образованы конденсаторами, одни выводы которых подключены к соответствующим шинам входного напряжения, другие выводы через диагональ моста, образованную колебательным контуром из последовательно соединенных реактора и конденсатора, подключены к объединенным выводам плеч второй стойки моста, каждое из которых образовано полупроводниковым ключевым элементом, выполненным в виде последовательно соединенных тиристорных или транзисторных ключевых ячеек, управляющие входы которых объединены с управляющим входом соответствующего полупроводникового ключевого элемента и подключены к выходу соответствующего блока формирования сигналов управления, вход которого соединен с соответствующим выходом переключающего логического элемента, к диагонали моста подключены выводы первичной обмотки силового трансформатора, вторичные обмотки которого через соответствующие выпрямители и фильтры соединены с шинами выходного напряжения, а к логическому выходу полупроводникового ключевого элемента одного плеча второй стойки моста подключен вход первого логического элемента объединения, отличающийся тем, что введены второй логический элемент объединения, блок запрета и блок разрешения, два блока задержки и элемент И для определения состояния ключевых ячеек в моменты времени (m - 1)T, mT - (T/2), (m - 1)T + (Тф + Тр/2) и mT + Тф + (Тр - Т)/2, где Тр - период частоты колебательного контура на холостом ходу, m - номер текущего периода Т - частоты переключения ключевых ячеек, одни из которых имеют фазу включения, равную (-Тф), а другие - фазу, равную (-Т/2-Тф), и Т/2 > (Тр + 2 Тф), причем выход первого логического элемента объединения подключен к первым входам блоков запрета и разрешения, вторые входы которых подключены к выходу второго логического элемента объединения, вход которого соединен с логическим выходом полупроводникового ключевого элемента второго плеча второй стойки моста, выход генератора заданной частоты соединен со входом первого блока задержки и с третьим входом блока разрешения и через второй блок задержки с третьим входом блока запрета, выход которого и выходы блока разрешения и первого блока задержки подключены к соответствующим входам элемента И, выход которого соединен со входом переключающего логического элемента, при этом при приложении напряжения к выключенным ключевым элементам на их логических выходах формируется сигнал, обеспечивающий поступление на соответствующие входы блоков запрета и разрешения сигнала разрешения. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок запрета выполнен в виде триггера-защелки, у которого два логических входа собраны по схеме ИЛИ, а блок разрешения выполнен в виде триггера-защелки, у которого два логических входа собраны по схеме И.