Преобразователь напряжения Советский патент 1984 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке вторичных источников электропитания, в частности плазменных источников ионо Известен преобразователь напряжения, который содержит конденсаторы, соединенные последовательно, параллельно каждому из которых подключено соединение первичной обмотки трансформатора с переключающим транзистором, образующее как минимум два полумостовых преобразователя, которые работают на одном общем сердечнике . Недостатки такого преобразователя напряжения - пониженный КПД из-за отсутствия рекуперации энергии индуктивности рассеяния трансформатора, а также наличие только одного уп равляемого выхода. Известен преобразователь напряжения, содержащий цепочку из четырех согласно-последовательно соединенных транзисторов выходного трансформатора 2. Недостатки данного преобразователя напряжения - пониженный КПД при работе на реактивную нагрузку, а так же наличие только одного управляемого выхода. Наиболее близким по технической .сущности к предлагаемому является преобразователь напряжения, который содержит выходной каскад с двумя .группами транзисторов, каждая из которых содержит по четыре последовательно соединенных транзистора,парал |яельно каждому из которых подключены диоды, два конденсатор а, о дин из обкладок которых под1Шючены к сооТветствую; 4им входным выводам выходного каска да, а другие через рекуперирующие диоды - к точкам соединения соответ ственно верхней и нижней пар транзисторов в каждой группе, причем точки соединения каждой пары транзисторов в группе образуют выходные выводы силового каскада, при этом базы транзисторов подключены к выходам узла управления (З . Недостатком устройства является возможность обеспечения только одного регулируемого канала выходного напряжения при наличии одного силового каскада, Цель изобретения - уменьшение ус тановочной мощности преобразователя за счет обеспечения двух независимых регулируемых каналов выходного напряжения при наличии одного силового выходного каскада. I Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения, содержащий выходной силовой каскад с двумя гр ттпами транзисторов, каждая из которых состоит из 1 тырех последовательно соединенных транзисторов, параллельно каждому из которых подключены диоды, двух конденсаторов, одни из обкладок которых подключены к соответствующим входным выводам выходного каскада, а другие через рекуперирующие диоды подключены к точкам соединения соответст;венно транзисторов верхней и нижней пар в каждой группе, причем точки соединения каждой пары транзисторов образуют выходные выводы силового каскада, при зтом базы транзисторов, подключены к выходам узла управления, введены интегральный широтно-импульсный модулятор, первый и второй последовательный резонансный LC-контур, подключенные параллельно выходным выводам силового каскада, параллельно конденсаторам которых включены выходные трансформаторы с выходными вьтрямителями и фильтрами, при этом вХоды узла управления подключены к выходам интегрального широтно-импульсного модулятора . При этом интегральный широтно-импульсный модулятор содержит узел генератора синусоидальных сигналов, состоящий из генератора прямоугольных импульсов, соединенного с первым формирователем синусоидальных сигналов, входам делителя частоты и первым выходам узла, выход делителя частоты соединен с вторым выходом узла и входом второго формирователя синусоидального сигнала, выходы указанных формирователей образуют третий и четвертый выходы узла, которые через два регулятора подключены к входам первого узла сравнения и первьтм двум входам формирователя импульсов управления, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к второму и первому выходам узла генератора синусоидальных сигналов, пятый вход - к выходу генератора тактовых импульсов, шестой и седьмой - к первому и третьему выходам первого узла сравнения, восьмой - к выходу второго узла сравнения, входы которого подключены к первому и третьему выходам первого узла сравнения, причем выходы формирователя импульсов управления соединены с входа ми. широтно-импульсного модулятора, выходы которых образуют выходные, выводы модулятора. На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя напряжения; на фиг, 2 - структурная схема интегрального широтно-импульсного модуля тора J на фиг. 3 и 4 - диаграммы работы модулятора, на фиг. 5 - структу ная схема управления на фиг. 6 - ди граммы работы схемы управления. Преобразователь напряжения (фиг.1 состоит из выходного каскада 1, собранного по схеме моста с рекуперирую щими цепями, содержащего восемь силовых транзисторов, двенадцать диодо и емкостной делитель, схемы 2 управления, содержащей импульсные усилители, обеспечивающие усиление и формирование сигнала, поступающего на его вход, интегрального широтно-импульсного модулятора 3, первого 4 и второго 5 последовательното резонансного контура, первого 6 и второго 7 трансформаторов, первого 8 и второго 9 выпрямителя, первого 10 и второго 11 фильтра, первой 12 и второй 13 нагрузки, причем выход модулйтора 3 соединен с входом схемы 12 управления, выходы которой соединены с транзисторов выходного каскада 1, выход которого соединен с входами первого 4 и второго 5 последовательного резонансного контура, причем выходы последних соединены с последовательно соединенными первым 6 и вторым 7 трансформаторами, первы 8 и вторым 9 выпрямителят-п, первым 10 и вторым 11 фильтрами, первой 12 и второй 13 нагрузкой. Интегральный широтно-импульсный модулятор 3 (фиг. 2) состоит из генератора 14 синусоидальных сигналов, содержащего генератор 15 прямоугольных импульсов, первый формирователь 16синусоидального сигнала, делитель 17частоты, второй формирователь 18 синусоидального сигнала и генератора 19 тактовых импульсов, первого 20 и второго 21 регуляторов формировате ля 22,содержащего сумматор 23 ампли-тудный детектор 24, коммутатор 25, первой схемы 26 сравнения, содержащей выпрямитель 27 с фильтром 28, компаратор 29, второй схемы 30 сравнения, содержащей сумматор 31, инвертирую1 1 1й усилитель 32, форьотрователь 33 импульсов, содержащий широтнo-и fflyльcный модулятор. Узел 2 управления (фиг. 5) состоит из двухтактного усилителя 34 мощности, импульсного трансформатора 35, восьми импульсных усилителей 36, причем импульсный усилитель 36 состоит из амплитудного детектора 37, формирователя 38 задержки, выходного каскада 39, выпрямителя 40, формирователя 41, причем выход двухтактного усилителя 34 мощности соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора 35, а восемь вторичных обмоток трансформатора 35 соединены с входами восьми соответствующих и myльсных усилителей 36, причем выход амплитудного детектора 37 соединен с входом формирователя 38 задержки, выход которого соединен с входом выходного каскада, причем выход формирователя 41 соединен с входом усилителя 42, причем вход выпрямителя 40 соединен с входом амплитудного детектора 37, а выход соединен с.одним из входов выходного каскада 39. Преобразователь напрязкепия работает следующим образом. Генератор 15 прямоугольных импульсои вырабатывает импульсы прямоугольной формы с частотой J, выход которого соединен с входом делителя 17 частоть (в качестве которого возможно при соотношении частот 1/2 использовать счетньй триппер) и входом формироватапя 16 синусоидального сигнала (в качестве которого возможно использовать резонансный контур или полосовой фильтр). Выход делителя 17 частоты соединен с входом формирователя 5 сиаусоидалыюго сигнала, при этом на выходах генератора 14 имеют .lecTo следующие сигналы: выход 14,3 и 14,4 - синусоидальные сигналы равной амплитуды с частотой Fj и F соответственно: выход 14,1 14,2 - прямоугольные импульсы с частотой F и F соответственно. Синусоидальные сигналы с выходов ,3 и 14,4 поступают на входы 20,1 и 21,1 регуляторов 20 и 21, выходы 20.2 и 21.2 которых соединены с входами 22,1 и 22,2 формирователя 22. Входы 22,1 и 22.2 формирователя 22 соединены с входами сумматора 23, выход которого соединен с входом амплитудного детектора 24 на выходе к торого выделяется модулирующая част та, получаемая при сложении двух частот в сумматоре 23. С выхода 22.9 формирователя 22 сигнал поступает . на вход 33.1 формирователя 33 и iпyль сов и соответственно на управляющий вход широтно-импульсного модулятора ЗЗ(ШИМ) . Ка вход 33.2 формирователя 33 импульсов, а через него на тактовый вход ШИМ поступают тактовые импульСы с выхода.22.10 формирователя, т.е. с выходах, коммутатора 25, а на вход 33.3 формирователя 33 импул сов, а следовательно, и на распределительный вход ШИМ поступают импул сы с выхода 22.11 формирователя 22,. т.е. с выходаVj коммутатора 25. Парафазные выходы ШИМ соединены с входами 33.4 и 33.5. Тактовые импульсы поступаншще с выхода 22. 10 и 22.11 « формирователя 22 и, Соответственно, с выхода Y, и 2 коммутатора 25 представляют собой последовательности импульсов, поступающие на выходы 22.3, 22,4,22.5 формирователя или, что то же самое, на входы Х, , Xg коммутатора 25, в качестве которого можно использовать стандартный коммутатор типа К155КП7. На входы 22.6, 22.7, 22.8 формирователя 22 и соответственно на входы Х, Х,-, Xg . коммутатора 25 поступают сигналы с выходов схем 26 и 30 сравнения. На входы 26.1 и 26.2 схемы 26 сравнения поступает синусоидальный сигнал с вьскодов 20.2 и 21.2 регуляторов 20 и 21. Эти сигналы вьшряипяются, филь руются выпрямителем 27 и фильтром 28 и поступают на вход компаратора 29, который сравнивает веЛ11чииы сиглалов, если сигнал с выхода выпрямителя и фильтра 27 больше сигнала с выхода выпрямителя и фютьтра 28, .то на выходе компаратора 29 и, соответственно, на выходе 26.4, схемы 26 сравнеш1я появится сигнал логической единицы, если наоборот - то сигнал логического нуля, Вькоды 26.3 и 26,3 схемы 26 сравнения соединены с входами 30.-1 и 30.2 схемы 30 сравнения, которая определяет равенство сигналов с выходов 20.2 и 21.2 регуляторов 20 и 21. Сигнал с входа 30.1 поступает на неинвертируклций вход усилителя 32, на инвертирующий вход которого поступает сигнал с входа 30.2. При этом один анод дио.|ДОв сумматора 31 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 32, а второй - с вькодом операционного усилителя 32, а катоды соединены вместе и подсоединены к точке 30.3 схемы ЗО сравнения. При равенстве амплитуд сигналов на выходе 30.3 схемы 30 сравнения появляется сигнал логического нуля, а при их неравенстве - логической единицы. Этот сигнал поступает на вход 22.8.формирователя 22 и соответственно на вход коммутатора 25. Генератор 19 вырабатывает импульсы с частотой, равной р Р-« F. На выходе генератора 15 (фиг. За) имеются импульсы прямоугольной формы с частотой F, на выходе делителя 17 частоты - импульсы с частотой 1 Fj (фиг. Зб), на выходе формирователей 16 и 1.8 синусоидальных сигналов - форма сигналов, приведенная на фиг. Зв и Зг соответственно. Сигналы на выходе 20.2 и 21.2 регуляторов 20 и 21 изменяют свою амплитуду в зависимости от коэффициента передачи и регулятора. Если амплитуды сигналов на выходе 20.2 i 21.2 равны, на выходе сумматора 23 получают суммированный сигнал двух синусоидальных колебаний с равными амплитудами. 2As;n()l.co6(il)i/ Из вьфажения (1) видно, что в спектре сигнала имеются, две частоты равные полусумме и полуразности основных частот, т.е. частот т, F,-F, и F -iy-1- . При этом частота Fj является несущей, а частота F4 - модулирующей частЬтой. Частота вьщеляет с я амплитудным детектором 24, на выходе 22.9 формирователя 22 появляется сигнал с частотой FA, который поступает на вход 33.1 фор11ирователя 33 импульсов, т.е. на управляющий вход ШИМ (фиг. Зд). При этом на тактовый вход ШИМ и соответственно на вход 33.2 формирователя 33 импульсов через коммутатор 25 поступает тактовая частота F с выхода генератора 19, F - « равная t (фиг. Зе). Таким F.a. образом, на выходе 33.4 и 33. формк 71 рователя 33 импульсов будет последовательность широтно-модулированны F, +F импульсов с частотой Fj -j-- (фиг. За), которая поступит на вхоЬы силового каскада (фиг. Зж и Зд). .Схема 30 сравнения обеспечивает прохождение на выход коммутатора 25 FJ +F только частоты F с выхода генератора 19. Как видно из фиг. 2, на входы Х, Xj, Xj коммутатора 25 поступают сигналы с генератора 15,. делителя 17 частоты, а также с гене ратора 19, а на управляющие входы Х, Xj Xg - сигналы с выходов выпрямителя и фильтра 27, компаратора 29 и 30.3 схемы 30 сравнения. Коммутатор 25. работает согласно таблице истинности (X произвольное состояние). Как видно из таблицы, на выходе коммутатора 25 и соответственно на входе 33.2 формирователя 33 импульсов имеются тактовые импульсы с требуемой частотой в зависимости от сос тояния выходов 26.3, 26.4 и 30.3 схе сравнения 26 и 30. При равенстве обо их сиг.налов на выходах 20.2. и 21.2 регуляторов 20 и 21 на выходе 30.3 компаратора 30 появляется сигнал логического .нуля и согласно таблице истинности на выходе У У коммутатора 25 появится сигнал с выхода генератора 19. Эти сигналы являются, соот ветственно тактовым и распределитель нътм для ШИМ. При этом управляющим сигналом для ШИМ будет сигнал с выхода амплитудного детектора 24, на выходе ПММ и на выходё формирователя 33 импульсов будет сигнал, промодуР - F лированный частотой 8 (фиг. Зд). На выходе усилителя мощности и соответственно на входах обоих контуров по явятся две частоты, равные Fj которые вьщеляются контурами 4 и 5 (фиг. 1) соотв:етственно. При этом мощность, переданная в нагрузку 12 и 13, будет равна. Если необходимо передать мощность в контур 4 (фиг. 1), настроенный на частоту F, амплитуда синусоидального .сигнала частоты F на выходе 20.2 регулятора 20 больше, чем амплитуда сигнала на выходе 21.2 регулятора 21.3, т.е. приведет к тому, что на выходе 26.4 схемы 26 сравнения, на выходе 30.3 схемы 30 сравнения появятся сигналы логической единицы. При этом согласно таблице истинности на выходах У и yj коммутатора 25 появится сигнал с выхода генератора .15 частоты F. Этот сигнал поступит на тактовый распределительный вход ШИМ (вход 33.2 и 33.3 формирователя 33 импульсов). На модулир тощий вход П1ИМ формирователя 33 импульсов поступает сигнал, фаза и амплитуда которого определяются по формулам j ft-- fA|+Ajt2A,A,Cos(u,-(OjHi I .A,ein(OiitAi5inco,t . a (j т1-:iг 1 U),i + Wit при условии, что сигналы имеют форму Р - A,sinoj,t Fj - Aj sintOjt. При величине амплитуды сигнала большей сигнала F величина амплитуды результирующего сигнала определяется большей амплитудой. При этом модулирующая частота равна (W,-Wj), т.е. . На модулирующий - вход поступает сигнал с частотой -Fj , Т7 - Ч т.е. Fj , что обеспечит на выходе ШИМ и, следовательно, на выходах 33.4, 33.5 формирователя 33 импульсов широтно-модулируемьй сигнал с частотой модуляции, равной F .(фиг. 4 г, д). Предположим, что необходимо больщую часть мощности передать в LC-контур 5, настроенный на FI частоту FJ -я- . При этом на выходе 21.2 регулятора 21 амплитуда напряжения вьппе, чем на выходе 20.2 регу лятора 20. Это приводит к тому, что на выходе 26,4 схемы 26 сравнения будет сигнал с уровнем логического нуля, при этом, на выходах 26,3 и 30.3схем 26 и 30 сравнения соответственно будет уровень сигнала, соответствуюп5ий логической единице. Согласно таблице истинности эти сигналы поступив на входы коммутатора 25, обеспечат на выходах У и У выходные ситналы, равные частотам Fj(фиг. 4а) и РЗ (фиг, 45) соответственно. Это обеспечивает.на выходах 33.4и 33.5 формирователя 33 импульсов сигнал, показанньй на фиг, 4е и 4ж соответственно. Этот сигнал соответствует перемодулирован ному сигналу частот F и F. При равенстве нулю сигнала частоты F| сог ласно таблице истинности на входы 33,2 и 33.3 формирователя 33 импуль сов поступает частота, равная Fj. На фиг. 3 и 4 показаны диаграммы изменения-напряжения на выходах 33.2 и 33.3 формирователя 33 импульсов пр изменении соотношения сигналов с выхода регуляторов 20 и 21. На фиг. 4г амгшитуда F больше амплитуды Fj , на фиг. Зж,з амплитуды равны, на (Ьиг. 4е, ж амплитуда F, ., ж амплитуда Fj больше амшш |туды F,, Сигналы с выходов 33.2 и 33,3 формирователя 33 импульсов пост пают на вход схемы 2 управления, которая обеспечивает усиление и формирование сигнала. Схема 2 управления, (фиг. 5) работает следующим образом. Импульсы прямоугольной формы с выхода формирователя 33 импульсов поступают на входы 34.1 и 34.2 двухг тактного ус шителя 34 мощности чфиг. За, б). При этом на первичной обмотке импульсного трансформатора 35 (точки 35.1 и 35о2),подключенного к выходам 34.3 и 34.4 двухтактного усилителя 34 мощности, будет иметь место сигнал, приведенный на фиг. 6в На вторичных обмотках импульсного трансформатора 35 (точки 35.3) сигнал точно такой же формы, но с амплитудой в К..раз .меньшей .(К..-- .ко-, эффициент трансформацииимпульсного трансформатора 35). С каждой вторичной обмотки импульсного трансформатора 35 сигнал поступает на входы 36,1 и 36.2 импульсного усилителя 36 Рассмотрим работу одного импульсного усилителя 36, так как остальные работают аналогично. Сигнал, поступивший на входы 36.1 и 36.2 импульсного усилителя 36, поступает на входы 37,1 и 37.2 ам- плитудного детектора 37, который выделяет положительную полуволну сигнала, а также на входе 40.1 и 40.2 выпрямителя 40, На выходе амплитудного детектора 37 (точки 37,3 и 37.4) формируется сигнал положительной полярности (фиг. 6г). Фаза.сигнала, требуемая для правильной работы транзисторов выходного каскада, устанавливается фазированием вторичной обмотки трансформатора 35. С выхода амплитудного детектора 37 (точки 37.3 и 37.4) сигнал поступает на вход формирователя 38 задержки, который может быть выполнен в виде пассивной ЕС-цепи. На выходе (38..3 и 38.4) формирователя 38 задержки имеет место сигнал, приведенный на фиг. 6д. Время задержки определяется состоянием параметров RC-цепи, Сигнал с выхода формирователя 38 задерж;КИ поступает на вход импульсного усилителя 39, соединенного с входом формирователя 41, которьй обеспечивает формирование импульса после формирователя 38 задержки. Формирователь 41 может быть выполнен -на логическом элементе И. На выходе формирователя 41 сигнал имеет форму, приведенную на фиг. 6. При этом регулирование времени задержки Tj осуществляется с помощью потенциометра в формирователе 38 задержки. Далее сформированный сигнал с выхола формирователя 41 поступает на вход усилителя 42, котор усиливает сигнал по мощности. Усилитель 42 может быть выполнен по схеме ненасыщенного ключа. С выхода усилителя 42 и с выхода импульсного усилителя 36 (точка 36,3) сигнал поступает на базу соответствующего транзистора выходного каскада (фиг, 1), Каящый выход соответствующего импульсного усилителя 36 соединен с соответствующей базой одного из транзисторов выходного каскада. Выпрямитель 40 обеспечивает необход мое гальванически- развязанное напряжение питания выходного каскада 39. Это необходимо для нормальной работы транзисторов выходного к скада (Фиг. 1). Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает полное и независимое регулирование выходной ширины импульсов, а следовательно,-и амплитуды напряжения на выходах обоих резонансных LC-контуров, а это, в свою очередь, обеспечивает изменение 5 напряжения и тока в. нагрузках. Использование последовательных контуров позволяет осуществить стабилиза:цию тока в нагрузках. Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает два независимо регу112175лируемых выходных напряжения при наличии одного силового выходного каскада, а также осуществляет стабилизацию выходного тока по обоим из двух каналов. Устройство имеет ли нейную зависимость выходного напряжения от управляемого напряжения и возможность управления от ЭВМ через цифроаналоговый преобразователь, что позволяет использовать устройство в автоматических устройствах управления технологическим процессом.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий выходной силовой каскад с двумя группами транзисторов, каждая из которых состоит из четырех последовательно соединенных транзисторов, параллельно каждому из которых подключены диоды, двух конденсаторов, первые обкладки которых подключены к соответствующим входным выводам выходного каскада, а вторые через рекуперирующие диоды подключены к точкам соединения соответственно транзисторов верхней и нижней пар в каждой группе, причем точки соединения каждой пары транзисто ров образуют выходные выходы силового каскада, при этом базы транзисторов подключены к выходам узла управления, отлич.ающий с я тем, что, с целью уменьшения установочной мощности преобразователя за счет обеспечения двух независимых; регулируемых выходных напряжений при наличии одного силового выходного каска:да, введены интегральный широтно-импульсный модулятор, первый и второй последовательный резонансный LCконтур, подключенные параллельно выходным выводам силового каскада, параллельно конденсаторам которых включены выходные трансформаторы с выходными выпрямителями и фильтрами, при этом входы узла управления подключены к выходам интегрального широтно-импульсного модулятора. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что интегральный широтно-импульсный модулятор содержит узел генератора синусоидальных сигналов, состоящий из генератора прямоугольных имтульсов, соединенного с первым формирователем синусоидальных сигналов, первым выхо.дрм узла и входом делителя частоты (Л С выход которого соединен с Бторьп-i выходом узла и входом второго формирователя синусоидального сигнала, причем выходы укг1заннь х; формиронателей образуют третий и четвертый в)1ходы узла, которые через два регулятора подключены к входам первого узла сравнения и первьгм двум входам формирователя иьтульсов управления, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к второму и первому выходам узла генератора синусоидальных сигналов, пятый вход к выходу генератора тактовых и myльсов, шестой и седьмой - к первому и третьему выходам первого узла срав нения, восьмой - к выходу второго узла сравнения, входы которого подключены к первому и третьему выходам первого узла сравнения, причем выходы формирователя импульсов управления соединены с входами шиpoтнo- fflyльcного модулятора, выходы которых образуют выходные выводы модулятора.

штлл гтп

Х . /X /л

У ХУ У V/

Фиг.З

flf г1

8

а

ГМ1

д

, tfflx.

т т

б . п.

Чвьл .1-35-г

л А

Ч-ЬГз 1