Преобразователь напряжения Советский патент 1984 года по МПК H02M7/537 

t10 Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых преобразователях напряжения и тока, в частности высоковольтных преобразователях напряженияо Известно устройство, содержащее емкостный делитель, полумостовой пре образователь напряжения, два регулирующих диода, трансформатор, выпрямитель и фильтр 11. Недостатком данного устройства является пониженный КПД иэ-за наличия динамических потерь при переключении трансфдрматоров полумостово го преобразователя напряжения. Известное также устройство, содержащее цепочку из четырех согласно последовательно соединенных транзисторов, четырех диодов, трансформатора и нагрузки С 2 3 о Недостаток указанного устройства обусловлен пониженным КПД из-за наличия динамических потерь при переключении транзисторов, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь напряжения, содержащий 2П рекуперирующих диодов и два плеча -из п последовательно соединенных транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения и одному из входов перваго логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ, при этом вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора, первым входом соединен ного с генератором пилообразного на пряжения, а вторым - с эталонным ис точником измеряемого напряжения 3 , Однако известный преобразователь также характеризуется низким КПД, так как транзисторы включаются и выключаются при протекании через ни тока. Цель изобретения - повышение КПД преобразователя путем снижения динамических потерь в транзисторах при переключении. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжекия, содержащий 2ti рекуперирующих 12 диодов и два плеча из п последовательно соединенных тре1нзисторов8 базы которых подключены к формирователю импульсов управл€;ния, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератсра прямоугольных импульЪов, выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения и одному из входов первого логического элемента И непосредстве нно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ, при этом вторые вхо/а 1 логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора,первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения, а вторым - с эталонным источником измеряемого напряжения, введены 2п дросселя и последовательный резонансный LD-KOHTyp, подключенный к точке соединения плеч транзисторов, при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча от точки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирукнцего диода, включенного в направлении протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя, коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры нижнего плеча, кроме последних, подсоединены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнего плеча и отрицательной полярности для нижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечах соединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов модулятора выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющий вход подключен к выходу датчика тока, соединенного последовательно с нагрузкой, которые подключены параллельно конденсатору ЦС -контура. На фиг. приведена схема преобразователя напряжения; на (J«r.2 - схема блока управления; на фиг.З и 4 диаграммы работы преобразователя напряжения , Преобразователь напряжения состоит из 2п согласно-последовательно соединенных транзисторов 1-1 - Ьп, 2-1 - 2-п, рекуперирующих диодов 3-1 - 3-п, 4-1 - 4-п, 2h индуктив31ностей 5-1 - 5-n, 6-1 -. 6-П, последовательного резонансного LC -контура 7, нагрузки 8, 2п стабилитронов 9-1 - 9-п, 10-1 - 10-П, блока 11 управления и датчика 12 тока. При этом эмиттер транзистора 1-1 соединен с коллектором транзистора 2-1 и входом последовательного резонансного LC-контура 7, параллельно конденсатору которого подключены последователь но соединенные датчик 12 тока и нагрузка 8 Катод диода 3-1 соединен с одним концом индуктивности 5-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-1 и эмиттера транзистора 1-2, а анод диода 3-1 соединен с общей точкой источника питания, причем параллельно индуктивности 5-1 подсоединен стабилитрон, катод которого соединен с катодом диода З-К Катод диода 3-2 соединен с одним концом индуктивности 5-2, второй конец которой соединен с. точкой соединения коллектора транзистора 1-2 и эмиттера транзистора 1-3, а анод диода 3-2 соединен с положительной клеммой источника питания +Е, причем параллельно индуктивности 5-2 подсоединен стабилитрон, катод которого соединен с катодом диода 3-2 Катод . диода 3-п соединен с одним концом индуктивности-5-Гг-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-И-1 и эмиттера транзистора 1-П, а анод дио да, соединен с положительной клеммой источника питания , причем параллельно индуктивности 5.-Я-1 подсоединен стабилитрон 9-h-l, катод которого соединен с катодом диода 3-П, а коллектор транзистора 1-П соединен с одним концом индуктив ности 5-rt, второй конец которой соединен с положительной клеммой источ ника питания +EJ.. Параллельно индуктивности 5-П подсоединен стабилитро 9-И, катод которого соединен с положительной клеммой источника питания +Е. Анод диода 4-1 соединен с одним концом индуктивности 6-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 2-2 и эмиттера транзистора 2-1, а катод диода 4-1 соединен с общей точкой источника питания, причем параллельно индуктивности 6-1 подсоединен стабилитрон 10-1 , анод которого соединен с анодом диода 4-1. Анод дио; 4 1 да 4-2 соединен с одним концом индуктивности 6-2, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора. 2-3 и эмиттера транзистора 2-2, а катод диода 4-2 соединен с отрицательной клеммой источника питания -EJ, причем параллельно индуктивности 6-2 подсоединен стабилитрон 10-2, анод которого соединен с анодом диода 4-2 Анод диода 4-2 соединен с одним концом индуктивности 6-h-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 2-П и эмит- тера транзистора 2-П-1, а катод диода 4-п соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е , причем параллельно индуктивности 6-П-1 подсоединен стаб1 шитрон Ю-М-1,анод которого соединен с анодом диода 4-п, эмиттер транзистора 2-П соединен с одним концом индуктивности 6-П, второй конец которой соединен с отрицательной клеммой источника питания -Ef, причем параллельно индуктивности 6-П подсоединен стабилитрон 10-П, анод которого соединен с отрицательной клеммой источника питания -Ej, причем выходл управления соединены с базами транзисторов. Блок I1 управления состоит из модулятора 13 и формирователя 14 импульсов, причем модулятор 13 состоит из источника 15 эталонного напряжения , суммирующего усилителя 16, компаратора 17, генератора 18 пилообразного напряжения, генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, логической схемы И-НЕ 20, а также первой 21 и второй 22 логических схем И. При этом выход источника 15 эталонного напряжения соединен с суммирукщим входом суммирунлцего усилителя 16, вычитающий вход которого соединен с регулирукгщим напряжением, выход суммирующего усилителя 16 соединен с первым входом KOMnapaTopia 17, второй вход которого соединен с выходом генератора 18 пилообразного напряжения,вход которого соединен с выходом генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, входом логической cxeNQJ И-НЕ 20 и вторым входом первой логической схемы И 21. Выход компаратора 17 соединен с первыми входами первой 21 и второй 22 S10 логических схем И, а второй вход логической схемы И 22 соединен с выходом логической схемы И-НЕ 20s причем выходы логических схем И 2 и 22 соединены с входом формирователя 14 импульсов, а вход генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, соединен с выходом датчика 12 тока. Модулятор работает следующим образом. Генератор 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты (далее генератор прямоугольных импульсов J вырабатывает импульсы, поступающие на вход генератора 18 пило образного напряжения. Автоподстройка частоты генератора 19 прямоугольных импульсов предназначена для подстройки частоты генератора под частоту последовательного резонансного LC-контура 7. Генератор 18 пилообразного напряжения вырабатывает импуль сы пилообразной формы (фиг.36) каждые полпериода колебаний, поступающи с генератора 18 прямоугольных импульсов (фиг. За J . Вьрсод генератора 18 пилообразного напряжения соединен с одним входом компаратора 17, на второй вход которого поступает напряжение эталонного источника измеряемого напряжения с выхода суммирующего усилителя 16. На суммирующий вход суммирующего усилителя 16 посту пает постоянное положительное напряжение с выхода источника 15 эталонного напряжения, а на вычитающий вход - регулирующее напряжение, величина которого изменяется от нуля до эталонного напряжения. Величина эталонного напряжения выбирается равной максимальной амплитуде размаха пилообразного напряжения. Изменяя величину входного напряжения, можно изменять величину выходного напряжения на нагрузке 8, при этом обеспечивается прямая пропорциональная зависимость между входным напряжением и напряжением на нагрузке 8„ На выходе суммирующего усилителя 16 ббразуется напряжение, равное разности эталонного и входного напря жений, которое поступает на первый вход компаратора 17, на второй вход которого поступает напряжение с выхода генератора 18 пилообразного напряжения. При достижении пилообразнь(м напряжением уровня напряжения на выходе суммирующего усилителя 16 (фиг.36 f на выходе компаратора 17 формируется передний фронт импульса (фиг.Зв, включающего силовые транзисторы, фронт выключения формируется фронтом импульса генератора 19 прямоугольных импульсов. Сформированный таким образом импульс поступает на вход логических схем И 21 и 22, которые обеспечивают поочередное открывание последовательно соединенных транзисторов, подсоединенных к источнику питания +Е„ или к источнику питания Е. Диаграммы работы модулятора 13 и напряжения на выходе логических элементов И 20 и 21 приведены на фиг.З. Импульсы, сформированныемодулятором 13,поступают на вход формирователя 14 импульсов, который создает импульсы управления, необходимые для правильной работы силовых транзисторов -1 - 1-П, 2-1 -2-Й. Для этого все транзисторы,начиная с первого и до п-го включаются с задержкой и выключаются с той же задержкой 1, (фиг.4 1, что обеспечивает постоянным напряжение на закрытых транзисторах, равное Е« /И , где п - число транзисторов. Таким образом, каждый последующий включающий транзистор включается позже на время Т по сравнению с предыдущимj а каждый последукщий выключакнцийся транзистор выключается на времяСл позже предыдущего. На вход генератора 19 прямоугольных импульсов поступает сигнал с датчика 12 тока, которьй включен последовательно с нагрузкой 8. Этот сигнал заставляет частоту генератора I9 прямоугольных импульсов изменяться так, чтобы ток нагрузки 8 в момент выключения силового транзистора 1-2 или 2-2 был равен нулю, т.е. осуществляется автоподстройка частоты с точностью до фазы Рассмотрим -работу преобразовате ля с четырьмя последовательно соединенными транзисторами, в случае, когда число источников питания равно двум (-s-E и -Е), а . Пилообразное напряжение сравнивается компаратором с напряжением на выходе суммирующего усилителя 16 фигоЗг), и при их совпадении образуется фронт импульса, который по71ступает на первые входы логических схем И 21 и 22 и в зависимости от напряжения на вторых входах этих логических схем через формирователь 14 импульсов включает транзистор 1 соединенный с положительным источником питания +Е, либо транзистор 2-2, соединенный с отрицательным ис точником питания -Е. Предположим, что включился транзистор 1-2 и одно временно выключился транзистор 2-1 (при этом транзистор открыт, а транзистор 2-2 закрыт). Спад импульса управления формируется фронтом импульса с генератора 19 прямоугольных импульсов. На входе резонансного LC -контура появляется импульс положительной полярности. В следующем такте отк1И)1вается транзис тор 2-2 и одновременно закрывается транзистор 1-1 (при этом транзистор 2-1 открыт, а транзистор 1-2 закрыт и формируется импульс отрицательной полярности. Последовательность положительных и отрицательных импульсов (фиг.З) поступает на вход после довательного резонансного иС контура 7, который выделяет первую гармо нику сигнала (фиг.3д|. Генератор 19 прямоугольных импульсов изменяет частоту таким обра зом, чтобы первая гармоника отстава ла от частоты прямоугольных импульсов, т.е автоподстройка частоты вносит фазовый сдвиг, который заста ляет в установившемся режиме иметь выключение транзисторов 1-2 и 2-2 в момент равенства нулю тока через нагрузку 8. При этом потери при выключении силовых транзисторов 1-2 и 2-2 близки к нулю. Введение допол нительных индуктивностей 5-1 5«, 6-1 - 6-п, установленных последовательно в цепи источников питания +Е ЕП °звапяет снизи потери при включении транзисторов. Параллельно каждой индуктивности подключены соответственно стабилитроны 9-1 - 9-п, 10-1 - 10-П, необходимые в первый момент работы преобразователя напряжения для огра ничения напряжения зкстроЭДС, развиваемой на индуктивности при неточ ной установке фазы и частоты генера тора 19 прямоугольных импульсов. В 1 . 8 установившемся режиме надобность в стабилитроне отпадает. В момент включения транзистора 1-2 или 2-2 все напряжение будет приложено к индуктивности 5-2 или 6-2, а ее сопротивление будет равно .1-ев реальных случаях это составляет десятки и сотни килоом, и, следовательно, напряжение на транзисторе в момент его включения будет близким к нулю, а потери при включении минимальными. Выбор величины индуктивности производится в учетом крутизны фронта. В реальных транзисторах крутизна фронта составляет примерно 1 мкс. Приняв величину скорости изменения тока di/dt ю А/мкс, а напряжение источников питания 2Е. и +Е равным 100 В, и с учетом того, что Д1- Ц г и , определим величину индуктивностей 5-П, 6-h, которая будет равна Ц 10 мкГн. При выключении транзистора индуктивность постарается поддержать ток через транзистор, т.е. поднять напряжение, но так как скорость изменения тока d-jfolt через иидуктивность при наличии последовательного резонансного L,C -контура 7 будет примерно в 20 раз меньше, то и напряжение на выключенном транзисторе увеличится всего лишь на 1/20 часть от исходного. При отсутствии последовательного резонансного LC -контура иапряжеиие на зак1штом транзисторе возросло бы по меньшей мере в два раза, что привело бы к увеличению потерь и компенсации выигрыша при включении за счет введения иидук- тивности. Таким образом, введение иидуктивиостей и последовательного резоиаисиого LC -контура приводит к снижению потерь при выключешга и включении силовых транзисторов и тем самым повышает КПД преобразователя иапряжения.

фиг. /

п

n-i

JsfKlZ

cpvi. Z

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий 2п рекуперирующих диодов и два плеча из п последовательно соединенных транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения и одному 1 входов первого логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ,при этом вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора, первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения, а вторым - с эталонным источником измеряемого напряжения , отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, введены 2п дросселя и последовательный резо- нансньш LC -контур, подключенный к точке соединения плеч транзисторов, при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча от точки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирующего диода, включенного в направлении протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя , коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры нижнего плеча,кроме последних,подсоеди(П нены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнего плеча и отрицательной полярности для нижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечах соединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов модулятора выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющий вход подключен к выходу датчика тока, соединенного последовательно с нагрузкой, которые подключены параллельно конденсатору LC -контура.

-Л.Л -t

-1 П П run П П ПJ

n

n

f/ e

Ж

ПQ

П

фг/г.