Преобразователь напряжения с многозонной модуляцией Советский патент 1984 года по МПК H02M7/48 H02P13/16 

Изобретение относится к преобразо вательной технике, в частности к пре образователям и регуляторам электрической энергии, и может найти применение в глуборегулируемых вторичных источниках питания, усилителях сигналов звуковой частоты, амплитудных модуляторах с высокими энергетическими и массо-габаритными показателями. Известны преобразователи напряжения со звеном повышенной частоты, которые содержат п мостовых инверторов с согласующими трансформаторами или п мостовых демодуляторов. Система управления в этих преобразователях обеспечивает работу полупроводни ковых ключей таким образом, что реализуется многозвенная широтно-импуль ная модуляция регулируемого напряже ния l 1 и 2 1. Недостатком преобразователей указанного типа является то, что модуля ционные ячейки построены по двухтакт ной мостовой схеме, а при модуляции неизбежны несимметричные режимы рабо ты силовых трансформаторов. Поэтому необходимо устанавливать цепи симмет рирования режима силового преобразователя либо при проектировании транс форматоров выбирать индукцию в сердёчнике намного ниже, чем позволяет материал. Это приводит к увеличению габаритов и массы преобразователей, к их усложнению при снижении надежности и КПД. Кроме того, в этих преобразователях необходимо применять специальные меры от возможных режимов сквозных токов. При питании преобразователей от источника с высоким напряжением необходимо иметь трансформаторы управления с изоляцией на это напряжение. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является регулятор напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, содержащий инвертор, к силовым выводам которого подключено п модуляционных .ячеек, выполненных из соединенных последовательно транзистора и первич ной обмотки согласовывающего трансформатора, вторичная обмотка которого предназначена для подключения через выпрямитель к нагрузке, задающий генератор, соединенный с управляющими электродами транзисторов инвер.тора через делитель частоты, а с вхо дами синхронизации п модуляторов длительности импульсов с последовательно нарастающими уровнями сравнения - непосредственно, причем управляющие входы, последних объединены : и образуют управляющий вход преобразователя 33. Недостатками известного регулятора являются малый диапазон воспроиз водимых частот и низкая надежность при модуляции напряжения из-за несимметричного режима .работы трансформаторов модуляционных ячеек, выполненных по двухтактной схеме. Для обеспечения симметричного режима согласующих трансформаторов в этом преобразователе применяют цепи симметрирования либо по силовой цепи, либо по цепи управления.Как правило,в таких преобразователях сердечники трансформаторов используются неполностью. В известном преобразователе возможен режим сквозных токов.Для исключения этого режима обеспечивают паузу {;т.е. запертое состояние всех транзисторов модуля } в момент переключения, что ухудшает качество выходного напряжения или тока, усложняет устройство. Целью изобретения является повы- . шение надежности и расширение диапазона воспроизводимых частот. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения с многозонной модуляцией, содержащий инвертор, к силовым выводам которого подключено п модуляционных ячеек, выполненных из соединенных последовательно транзистора и первичной обмотки первого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого предназначена для подключения через выпрямитель к нагрузке, задающий генератор, соединенный с управляющими электродами : транзисторов инвертора через делитель частоты, а с входами синхронизации п модуляторов длительности импульсов с последовательно нарастающими уровнями сравнения-непосредственно, причем управляющие входы последних объединены и образуют управляющий вход преобразователя, в каждую модуляционную ячейку дополнительно введены два диода, транзистор и второч согласующий трансформатор, эмиттеры транзисторов модуляционных ячеек объединены и подключены к отрицательной шине источника питания, коллекторы соединены с концами первичных обмоток трансформаторов и через анод-катод диодов - с положительной шиной источника питания, начало первичной обмотки первого согласующего трансформатора ка;кдой ячейки подключено к одному силовому выводу инвертора, а начало первичной обмотки второго согласующего трансформатора - к другому, вторичные обмотки первых так же как и вторых согласующих трансформаторов модуляционных ячеек соединены последовательно между собой, базы транзисторов ячеек соединены через логические элементы И с выходами модуляторов длительности импульсов и выходом делителя частоты, при этом инвертор выполнен на двух транзисторах, коллекторами . соединенных с положительной шиной источника питания, и на двух диодах, анодами соединенных с отрицательной шиной питания, а катодами - с эмиттерами транзисторов, образующими силовые выводы инвертора, обмотки размагничивания согласующих трансформаторов всех модул-тионных ячеек соединены согласно и последовательно и через ограничитель тока подключены к источнику напряжения. На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя напряжения на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу преобразователя напряжения. Преобразователь напряжения с многозвенной модуляцией (фиг. 1| содержит инвертор 1, к силовым выводам 2 и 3 которого подключено п модуляционных ячеек 4-6, выполненных из соединенных последовательно транзистора 7 (.8 и 9) и первичной обмотки 10 (11 и 12) арансформатора 13 (14 и 15/, вторичная обмотка 16 (17 и 18 которого предназначена для подключения через выпрямитель 19 к нагрузке 20. Задающий генератор 21, соединенный с управляющими электродами транзисторов 22 и 23 инвертора 1 через делитель частоты 24, ас входами синхронизации п модуляторов длительности импульсов 25-27, с последовательно нарастающими уровнями сравнения - непосредственно, причем управляющие входы последних объединены и образуют управляющий вход 28 преоб разователя. Модуляционные ячейки 4-6 дополнительно снабжены диодами 29-34 транзисторами 35-37 и вторыми согласующими трансформаторами 38-40 с пер вичными обмотками 41-43. Эмиттеры транзисторов 7-8, 35-37 модуляционны ячеек i-6 объединены и подключены к отрицательной шине источника питания Коллекторы соединены с концами перёичных обмоток 10-12, 41-43 трансфор маторов 13-15, 38-40 и через анод-ка тод диодов 29-34 - с положительной шиной источника питания. Начала пер.вичных обмоток 10-12 согласующих трансформаторов 13-15 подключены к выводу 3 инвертора, а -начала первичных обмоток 41-43 согласующих трансформаторов 38-40 - к выводу 2. Вторичные обмоткь 16-18 трансформаторов 13-15. также как и вторичные обмотки 44-46 трансформаторов 38-40 соединены последовательно. Базы транзисторов 7-9, 35-37 моду ляционных ячеек соединены через логические элементы И 47-52 с выходами модуляторов длительности импульсов 25-27 и выходом делителя частота 24 Инвертор 1 выполнен на двух транзисторах 22 и 23, коллекторами соединен ных с положительной шиной источника питания, и двух диодах 53 и 54-, анодами соединенных с отрицательной ши ной источника питания, а катодами с эмиттерами транзисторов 22 и 23, образующими силовые выводы 2 и 3 инвертора 1. Обмотки перемагничивания 55-58 согласующих трансформаторов . 13-15, 38-40 соединены согласно и последовательно и через ограничитель тока 59 подключены к источнику напряжения. Временные диаграммы (фиг. 2) имеют следующие цифровые обозначения: 60 - напряжение на выходе задающего генератора; 61 - напряжение после делителя частоты; 62 - входной сигнал; 63 - треугольное напряжение, синхронизированное напряжением задающего генератора; 64-66 - напряжение на выходе модуляторов длительности импульсов; 67-71 - напряжение на обмотках согласующих трансформаторов; 72 - выходное напряжение преобразователя . Преобразова тель напряжения с многозонной модуляцией работает следующим образом. Задающий генератор 21 формирует импульсное напряжение 60 высокой частоты, которое преобразуется делителем частоты 24 в напряжение 61 и подается на управление противотактными транзисторами 22 и 23 инвертора 1. При нулевом входном сигнале модуляционные ячейки 4-6 отключаются от источника питания транзисторами 7-9, 35-37. нарастающее (спадающее) напряжение Uv( 62 с управляющего входа 28 поступает на управляющие входы модуляторов, длительности импульсов 25-27 с п последовательно нарастающими уровнями сравнения, суммируется с треугольным напряжением 63 и преобра- .,. зуется в напряжения 64-66, модулированное по длительности. Эти напряжения через логические элементы И 4752 управляют транзисторами 7-9, 3537 , - поочередно подключающими требуемое число согласующих трансформаторов , работающих в однотактном режиме. Транзисторы 7-9 (35-37) обеспечивают высокочастотную модуляцию напряжения на первичных обмотках 10-12 (41-43(; согласующих трансформаторов 13-15 (38-40) модуляционных ячеек 4-6 при открывании транзистора ) инвертора 1, а при закрытом состоянии транзистора 22(23) трансформаторы 13-15 (38-40 ) перемагничиваются обмотками 55-58 от источника напряжения через ограничитель тока 59 до точки, близкой к Вд петли гистерезиса. На вторичных обмотках. 16-18 согласующих трансформаторов 13-15 наводятся напряжения 67 и 70, а на обмотках 44-46 трансформаторов 38-40 напряжения 68, 69 и 71. Вторичные обмотки 16-18 включены последовательно

между собой и через диод выпрямителя 19 подключены к нагрузке, при этом напряжения 67 и 70 суммируются и поступают в нагрузку. В следующий полупериод низкочастотного напряжения 61 открывается транзистор 23, а на обмотках трансформаторов 38-40 формируются напряжения 68, 69 и 71, которые аналогично суммируются и поступают в нагрузку, при этом ранее работающие трансформаторы 13-15 размагничиваются. Таким образом, в один полупериод напряжение формируется на вторичных обмотках 16-18, а во второй на обмотках 44-46.

Неучаствующие в регулировании передачи энергии в нагрузку трансформаторы закорочены (в рабочий полупериод | по цепи: конецобмотки, например, трансформатора 15 - диод 33 открытый транзистор 22 - начало обмотки 12. На выходе реализуется регулирование напряжения 72 метолом многозонной импульсной модуляции с высокочастотным квантованием в звене повышенной частоты. Распределение работы ключей по полупериодам низкой частоты осуществляют распределители импульсов 47-52, выполненные по логической схеме И. Последовательная Депь обмоток 55-58 со всех трансформаторов через ограничитель тока 59, который может быть выполнен по любой из известных схем, например из актив:;о-индуктивного сопротивления или из полупроводникового стабилизатора (ограничителя тока |,обеспечивает за счет источника напряжения U смещение рабочей точки (перемагничивание ) сердечников трансформатора к области, близкой к отрицательному насыщению. За счет этого осуществляется более полное использование сердечников трансформаторов по индукции.

Предложенный преобразователь по сравнению с известными позволяет в

w I, 1/1.1 ,

.

несколько раз повысить надежность, так как двухтактные структуры практически не работают при несимметричном управлении. При незначительной несимметрии в двухтактных схемах коэффициент использования сердечника по ин-. дукции составляет 9%, а предложенном устройстве, даже без применения цепи размагничивания (обмотки 55-58J, достигает примерно 50%, а тем более с этой цепью. Диапазон воспроизводимых частот повышается за счет того, что структура принципиально позволяет исключить паузы напряжения на время коммутации диодов выпрямителя за счет использования противотактной работы ключей 22 и 23. Применение высокочастотного квантования в звене повышенной частоты и использование ячеек с гарантированным временем размагничивания сердечников трансформаторов расширяет диапазон воспроизводимых частот до величины, практически определяемой частотными свойствами ключевых элементов 7-9; 35-37 и паразитными параметрами обмоток трансформаторов. Практически испытан модулятор напряжения с возможностью работы при частоте модуляции более 25 кГц, при этом частота работы инвертора - 20 кГц. Кроме того, к достоинствам предлагаемого устройства можно отнести малое количество элементов силовой цепи, отсутствие цепей симметрирования режима работы силовых трансформаторов, возмож ность построения весьма простой схемы управления, так как все транзисторы модуляционных ячеек работают относительно общей шины. Режим сквозных токов, неизбежный для двух0 тактных ячеек, в предлагаемом преобразователе отсутствует., что также упрощает систему управления, повышает надежность и КПД.а

27

п

Л/1./

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С МНОГОЗОННОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содержащий инвертор, к силовьом выводам которого подключено п модуляционных ячеек, выполненных из соединенных последовательно транзистора и первичной обмотки первого согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого предназначена для подключения через выпрямитель к нагрузке, задающий генератор, соединенный с управляющими электродами транзисторов инвертора через делитель частоты, а с входами синхронизации г модуляторов длительности импульсов с последовательно нарастающими уровнями сравнения непосредственно, причем управляющие входы последних объединены и образуют управляющий вход преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения диапазона воспроизводимых частот, в каждую модуляционную ячейку дополнительно введены два диода, транзистор и второй согласующий трансформатор; эмиттеры транзисторов модуляционных ячеек объединены и подключены к отрицательной шине источника питания, коллекторы соединены с концами первичных обмоток трансформаторов и через анод-катод диодов с положительной шиной источника питания, начало первичной обмотки первого согласующего трансформатора каждой ячейки подключено к одному силовому выводу инвертора, а начало первичной обмотки второго согласующего трансформатора - к другому, вторичные обмотки первых так же как и втоС рых согласующих трансформаторов модуляционных ячеек соединены последовательно между собой, базы транзисторов ячеек соединены через логические элементы И с выходами модуляторов длительности импульсов и выходом делителя частоты, при этом инвертор 00 О) выполнен на двух транзисторах, коллекторами соединенных с положительной шиной источника питания, и на сд ю сд двух диодах, анодами соединенных с отрицательной шиной источника питания, а катодами - с эмиттерами транзисторов, образующими силовые выходы иивертора, обмотки перемагничивания согласующих трансформаторов всех модуляционных ячеек соединены согласно и последовательно и через ограничитель тока подключены к источнику напряжения.