Регулируемый конвертор Советский патент 1988 года по МПК H02M3/335 G05F1/573 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для испольэования при реализации вторичного электропитания вычислительной аппаратуры, а также сист ем автоматики, телемеханики и связи.

Цель изобретения - повышение технологичности и КПД путем увеличения точности симметрирования управляющих сигналов при перегрузке по току.

На фиг. представлена функциональная схема предлагаемого регулируемого конвертора; на фиг.2 - временные ди аграммы сигналов, иллюстрирующие работу конвертора.

Конвертор содержит силовой канал преобразования и канал 2 управления, первичный источник 3 напряжения постоянного тока. Канал 1 преобразования включает управляемый силовой инвертор 4 с двухтактным усилителем 5 мощности и трансформатор 6 со средним выводом, , блок 7 выпрямления и фильтрации. Питающий вход управляемого силового инвертора 4 соединен с выводами для подключения первичного источника 3 напряжения постоянного тока. Вход блока 7 выпрямления и фильтрации соединен с выходом управляемого силового инвертора 4, а выход - с выводами для подключения нагрузки 8.

Канал 2 управления содержит генератор 9 синхроимпульсов, формирователь 10 длительности паузы, формирователь 11 пилообразного напряжения, широтно-импульсный модулятор 12, блок 13 управления, первьй делитель 14 частоты,первый 15 и второй 16 согласующие элементы, первый 17 и второй 18 селекторы, датчик 19 тока, пороговый элемент 20, триггер 21 защиты, элемент 2И 22, второй делитель 23 частоты (на два , одновибратор 24 с последовательно включенными формирователем 25 строб-импульсов, третьим делителем 26 частоты и инвертором 27, Выход генератора 9 синхроимпульсов через первый делитель 14 частоты подключен к входу формирователя 10 длительности паузы. Вход формирователя I1 пилообразного напряжения соединен с входом формирователя 10 длительности паузы, а выход - с первым входом широтно-импульсного модулятора 12. Выход блока 13 управления подключен к второму входу широтно-импульсного модулятора 12. Выход второго делителя 23 частоты (на два) соединен с

Г

0

5

0

5

0

5

0

5

выходом формирователя 10 длительности паузы. Вхед третьего делителя 26 частоты подключен к выходу генератора 9 синхроимпульсов. Первый вход первого селектора I7 соединен с выходом формирователя 10 длительности паузы, второй вход с выходом второго делителя 23 частоты, третий вход --С выходом широтно-импульсного модулятора 12, а выход через первый согласующий элемент 15 - с одним из управляющих входов управляемого силового инвертора,4.

Первый вход второго селектора 18 подключен к выходу формирователя 10 длительности паузы, второй вход - к выходу инвертора 27 одновибратора 24, третий вход - к выходу второго делителя 23 (на два), а выход через второй согласующий элемент 16 - к другому управляющему входу силового инвертора 4. Датчик 19 тока включен к общую токовую цепь силового инвертора 4 и выходом соединен с входом порогового элемента 20. Один из входов триггера 21 защиты подключен к выходу формирователя 10 длительности паузы, другой вход - к выходу порогового элемента 20, а выход - к четвертым входам селекторов 17 и 18. Вхо- .ды элемента 2И 22 соединены с выходами формирователя 1 О длительности паузы и триггера 21 защиты, а выход - с входом формирователя 25 строб-им- пульсов. Пятый вход первого селектора 17 подключен к выходу инвертора 27 одновибратора 24, а пятый вход второго селектора 18 - к выходу широтно-импульсного модулятора 12,

Конвертор работает следующим образом.

Си-ловой канал 1 преобразует элерст- рическую энергию первичного источника 3 напряжения постоянного тока из одного уровня (количества и качества) в другой, требуемьгл для функционирования нагрузки 8, Регулирование уровня поступаемой в нагрузку 8 элезстри- ческой энергии осуществляется силовым инвертором 4 с использованием принципа широтно-импульсной модуля- цйИа Сигнал зшравления инвертором 4 вырабатывается каналом 2 управления,

С выхода генератора 9 синхроимпульсов сигнал с периодом Т. поступает на входы делителей 14 и 26 частоты. Выходное напряжение U, (фиг.2а) делителя 14 частоты с периодом Т,4 используется для синхронизации формирователя 10 длительности паузы. Последний на фронт (перепад 0/1) указан-; ного сигнала вырабатывает импульсы UK,

(фиг, 26) длительностью ,

Длитель365290

бой перепад 10 выходного сигнала элемента 2И 22 (фиг.2з). Появление низкого уровня на выходе указанного элемента обеспечивается при наличии на любом из его двух входов низкого уровня напряжения. На первьм вход элемента 2И 22 воздействует выходной сигнал формирователя И Импульсы

ров усилителя 5, т.е, ,, uayic 14-/2- ю U,j, с низким уровнем напряжения повторяются с периодом Т,, . Поэтому при и оформирователя 10 на вход формиро- наличии высокого уровня напряжения вателя 11 обеспечивает на выходе пос- на выходе триггера 21 защиты (соот- леднего пилообразное напряжение ветственно и на первом входе злемен- (фиг,2г), подлежащее сравнению в ши- is та 2И выходе элемента 2И 22 ротно-импульсном модуляторе 12 с напряжением и,з , вырабатываемым блоком 13 управления. Выходные сигналы делителя 23 частоты (на два) противофаз- ны«(один из них и показан на . 20 фиг.2в), их период равен двум перионость ( сокращается максимально возм(мсное время fiityj,,. открыто го состояния силовых коммутирующих транзисто 11 макс 14- C,Q , Воздействие выходного сигнала

обеспечивается сигнал U,2 (фиг,2з), аналогичный сигналу U на выходе формирователя 10. На перепад 1/0 выходного сигнала U элемента 2И 22 формирователь 25 строб-импульсов обеспечивает строб-импульсы Uj5- (наприU,j, с низким уровнем напряжения повторяются с периодом Т,, . Поэтому при наличии высокого уровня напряжения на выходе триггера 21 защиты (соот- ветственно и на первом входе злемен- та 2И выходе элемента 2И 22

обеспечивается сигнал U,2 (фиг,2з), аналогичный сигналу U на выходе формирователя 10. На перепад 1/0 выходного сигнала U элемента 2И 22 формирователь 25 строб-импульсов обеспечивает строб-импульсы Uj5- (напри

Изобретение относится к электротехнике.в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения- повьш1ение технологичности и КПД путем увеличения точности симметрирования управляющих сигналов при перегрузке по току. Конвертор содержит канал 1 преобразования и канал 2 управления. Благодаря введению в последний датчика 19 тока, порогового элемента 20, триггера 21 защиты и элемента 2И 22 обеспечивается токовая защита в каждом из полупериодов коммутации. Ирц этом имеет место симметрирование сигналов управления силовым инвертором 4 в течение всего интервала действия перегрузки с исключением превышения тока в каждом из его плеч. Поскольку разрядности делителей 14, 26 частоты постоянны и отличаются на единицу, одновибратор 24 сохраняет длительность формируемого сигнала при изменении частоты генератора 9 синхроимпульсов. Этим устраняется необходимость технологической подстройки длительности одновибратора 24 и достигается некритичность к воздействию дестабилизирующих факторов. 2 ил. с

дам Т,4 выходного сигнала U;,4 делителя 14 частоты (в качестве делителя 23 частоты может быть использован триггер в счетном режиме р&боты), Воздействие противофазных сигналов и и Ujj на соответствующие входы селекторов 17 и 18 обеспечивает прохождение на их выходы широтно-модулированного сигнала U,2 (фиг.2а) с вы- ЗО кий уровень напряжения. Для рассматхода модулятора 12 в интервалы времени, соответствующие высоким уровням сигналов делителя 23 частоты с образованием в итоге сигналов и (фиг .2 м,н) ,

Высокий уровень выходного сигнала модулятора 12 соответствует пре- 1вьт1ению сигнала U блока 13 управления над сигналом U,, формирователя 11 . Высокие уровни вьтходных сигналов

35

40

риваеМого режима работы, моменты появления указанных высоких уровней на- пряжения 1 (фиг. 2к, t д, , 132,. . ., too., tg; ,t0,...) совпадают с фронтами импульсов формирователя 10 длительности паузы (фиг. 26), поэтому длительность этих высоких уровней напряжения стремится к нулю. Это обеспечивается соответствующим выбором разрядностей делителей 14 и 26 частоты, а именно, выбором разрядноси

17

И U,g селекторов 17 и 18 соответриваеМого режима работы, моменты появления указанных высоких уровней на- пряжения 1 (фиг. 2к, t д, , 132,. . ., too., tg; ,t0,...) совпадают с фронтами импульсов формирователя 10 длительности паузы (фиг. 26), поэтому длительность этих высоких уровней напряжения стремится к нулю. Это обеспечивается соответствующим выбором разрядностей делителей 14 и 26 частоты, а именно, выбором разрядностом инвертирования инвертором 27) является разрешающим для селекторов 17 и 18. Поэтому, например, на выходе селектора 17 присутствует на интерваствуют одновременному присутствию ти делителя 26 на единицу выше раз- высоких уровней напряжений на четы- рядности делителя 14. В результате рех их входах.при отсутствии перегрузки по току

При отсутствии перегрузки по току g выходной сигнал делителя 26 (с учена выходе порогового элемента 20 присутствует низкий уровень напряжения (фиг,2е). При этом состояние триггера 21 защиты - высокий уровень выходного напряжения U, (фиг,2ж) - определяется воздействием (с периодом Т,) выходного сигнала U,g формирователя 10, а именно, его фронтом - перепадом 0/1. Состояние еще одних входов селекторов 17 и 18 определяет вы- gg первьй с выхода формирователя 10 ходной сигнал инвертора 27. Формиро- (фиг.2б), на второй - с выхода де- ватель 25 строб-импульсов формирует лителя 23 частоты (фиг,2в), на тре- импульсы Иг (фиг.2и) положительной тий - с выхода модулятора 12 (фиг. 2д), полярности большой скважности на лю- на четвертый - с выхода триггера 21

gQ ле to + i;,4 положительный импульс (фиг.2м) длительностью ut, определяемый одновременным присутствием высоких уровней напряжения на всех пяти его входах, поступаемых на

мер, в моменты t

-02.

.,t

04

tc,5 ,to6 ,, . . фиг.2и) , которые сбрасывают (устанавливают в О, фиг,2к) 5 воздействием на R вход делителя 26 частоты. Независимо от уровня его выходного сигнала в моменты сброса через интервал времени Т, на выходе делителя 26 частоты появляется высо

иваеМого режима работы, моменты появления указанных высоких уровней на- пряжения 1 (фиг. 2к, t д, , 132,. . ., too., tg; ,t0,...) совпадают с фронтами импульсов формирователя 10 длительности паузы (фиг. 26), поэтому длительность этих высоких уровней напряжения стремится к нулю. Это обеспечивается соответствующим выбором разрядностей делителей 14 и 26 частоты, а именно, выбором разрядностом инвертирования инвертором 27) является разрешающим для селекторов 17 и 18. Поэтому, например, на выходе селектора 17 присутствует на интервавыходной сигнал делителя 26 (с учепервьй с выхода формирователя 10 (фиг.2б), на второй - с выхода де- лителя 23 частоты (фиг,2в), на тре- тий - с выхода модулятора 12 (фиг. 2д), на четвертый - с выхода триггера 21

g выходной сигнал делителя 26 (с учеgg первьй с выхода формирователя 10 (фиг.2б), на второй - с выхода де- лителя 23 частоты (фиг,2в), на тре- тий - с выхода модулятора 12 (фиг. 2д) на четвертый - с выхода триггера 21

gQ ле to + i;,4 положительный импульс (фиг.2м) длительностью ut, определяемый одновременным присутствием высоких уровней напряжения на всех пяти его входах, поступаемых на

защиты (фиг,2ж), на пятый - с выхода инвертора 27 (фиг.2л).

Итак 5 при отсутствии .перегрузки по току режим преобразования и регулирования электрической энергии определяется соотношением уровней сиг- налои и,,, и U|, блока 13 управления и формирователя 11 (фиг.2т). При работе в режиме стабилизации U, является функцией напряжения тока в цепи нагрузки 8 (на фиг.1 этот режим отражен пунктирной линией), связывающей «агрузку 8 и блок 13 управления, который в данном случае вьшолняется как усилитель сигнала рассогласования.

В режиме перегрузки по току коммутации напряжение на выходе датчика 19 тока достигает опорного Напряжения и on порогового элемента 20, и на выходе поеледнего формируется высокий уровень напряжения. Предположим, что указанная ситуация произошла в момент времени t (фиг.2е,п). На фронт выходного сигнала (фиг.2е) порогового элемента 20 триггер 21 защиты устанавливается в низкий уровень напряжения (фиг.2ж), который сохраняется до момента времени t + т.е. до воздействия (срезом - перепадом 0/1) выходного сигнала формирователя 10. Наличие на любом из входов селекторов 17 и 18 низкого уровня обеспечивает низкий уровень на их выходах. В результате на выходе селектора 18 длительность положительного импульса сокращается до t,g(r) ti - toj - ш (при отсутствии перегрузки длительность сигнала управления определялась U,, и U(, 5 фиг.2г, и соответствовала .бы ut,g t. 5 фиг . 2н), Низкий уровень напряжения триггера 21 защиты (фиг.2ж) проходит на выход элемента 2И 22. Это обеспечивает в момент времени tj формирование (на перепад 0/1) формирователем 25 положительного импульса Ujj. длительностью t,5 и сброс делителя 26 частоты. Разрядность последнего выбрана из условия обеспечения на его выходе положительного уровня напряжения после сброса через интервал времени Т, (фиг.2к). Высокий уровень напряжения на выходе делителя 26 частоты сохраняется до момента времени tg. В указанный момент времени формирователь 25 сбра сывает делитель 26 частоты положи

(фиг.2и), форми- /0 выходного сигнала элемента 2И 22. Отрицательный уровень напряжения формирователя

тельным импульсом руемы - на перепад

10

0

на интервале времени (t.+Т,) не изменяет состояния выходного сигнала элемента 2И 22, так как на его втором выходе присутствует низкий уровень напряжения (фиг.2з), поступающий с выхода триггера 21 защиты (фиг.2ж).

Поскольку формирователь 25 формирует положител;б ные импульсы лишь на

5 перепад 1/0 выходного сигнала элемента 2И 22, на указанном интервале состояние формирователя 25 не изменяется (на его выходе присутствует низкий уровень напряжения, фиг.2и). В ре0 зультате сброса делителя 26 частоты не происходит, до момента времени tQ он работает в режиме деления частоты сигнала, поступающего на вход синхронизации с выхода генератора 9.

5 Низкий уровень напряжения на выходе инвертора 27 сохраняется до момента времени t (Фиг.2л), т.е. до момента воздействия перепадом 0/1 выходного сигнала формирователя 10

0 (фиг.26).

Наличие низкого уровня напряжения на пятом входе селектора 17 и втором входе селектора 18 обеспечивает на интервале времени (t Т, ) - t низкие уровни напряжений на их выходах (фиг.2м,н). В результате этого на обмотках трансформатора 6 обеспечиваются симметричные, смещенные на Т( прямоугольные импульсы (фиг.2р) . длительностью ut. Если в следующие периоды работы конвертора перегрузки по току не происходит, на выходах триггера 21 защиты и инвертора 27 обеспечивают высокие уровни напряжений (фиг.2, сплошные линии соответственно диаграмм ж, л), При этом режим гфеобразования элек-трической энергии конвертора определяется U,} и и, „ Передний фронт выходного сигнала и ,g (и ,7 ) селектора 18(17) смещен всегда на интервал времени Т,, относительно переднего фронта вьгход- ного сигнала U ,7 (U (g ) селектора 7(l8)j поскольку они совпадают по времени с перепадом 0/1 выходного cvu Hajia U ,о формирователя 10 (фиг..2б, моменты времени t - ib

5

0

5

С9

+ о,

Л

ог

+ г

10 J

Точность воспроизведения среза выходного сигнала ) селектора 17(18) в режиме перегрузки по току зависит от длительности выходных сигналов: периода Тд генератора 9 и строб-импульса b.t2 формирователя 25. При заданных Т- и требуемой точности k(B %) воспроизведения среза выходного сигнала И (П ,g ) селектора 17(18), пренебрегая временем удержания делителя 26 частоты в состоянии О сигналов с выхода формирователя 25, для выбора периода Т выходного сигнала генератора 9 можно записать условие

12 конвертора в течение всего интервала действия перегрузки, исключается пре- вьпггение тока в каждом из плеч тации конвертора, В качестве датчика 19 тока может быть использован резиссчетчиков. В этом случае разрядность п делителя 26 частоты определяется в виде

п

где

Т, tO,02kT„ .

Делители 14 и 26 частоты наиболее просто реализуются на основе двоичных 2Q тор с разделительным трансформатором,

например при мостовой или полумостовой схемах двухтактного усилителя 5 мощности. При этом вторичная обмотка (со средним выводом) трансформирует

25 сигнал, пропорциональный токам плеч инвертора 4. В предлагаемом конверторе вторичные полуобмотки через диоды подключаются на вход порогового элемента 20, и сигналы, пропорциональные

2Q коммутируемым в плечах конвертора токам, воздействуют на его вход отдельно .

В предлагаемом конверторе идентичность сигналов управления в обоих полупериодах обеспечивает высокую эффективность процесса преобразования электрической энергии в двухтактньи преобразователях электрической энергии, поскольку в режиме перегрузки по тику имеет место практически одинаковое время (фиг.2,р) открытого и закрытого состояний транзисторов двухтактного и закрытого состояний транзисторов двухтактного преобразователя в течение одного периода, чем исключается подмагничивание силового трансформатора и повьшается КПД и надежность конвертора.

Изменение частоты задающего генератора 9 приводит к изменению периоЕ - целая часть числа

log i(2T „/Т, ) .

Прр этом разрядность W делителя 24 частоты всегда на единицу меньше W п - 1.

Рассматривают случай возникнове ния перегрузки по току в первом плече силового инвертора 4 (фиг.2о), например, в момент времени t ( указанному режиму работы соответствуют пунктирные линии временных диаграмм фиг.2). При этом полагают, что данная перегрузка произошла повторно (с учетом перегрузки в момент времени t, фиг.2п) - одновибратор 24 (точнее делитель частоты 26) находится в режиме счета. Поскольку триггер 21 защиты в момент времени t (, установлен (фиг.2ж) в высокий уровень выходного напряжения, фронт выходного сигнала порогового элемента

35

40

45

.1

20 в момент времени t j перегрузки (фиг.2е), устанавливает триггер 21 защиты в низкий уровень (фиг.2ж, пунктирная линия). Это устанавливает делитель 26 частоты в момент времени t в состояние, соответствующее мо50

менту tj, т.е. с момента

t;

инвертор 27 опять начинает формировать ; сигнал, запрещающий с момента времени t + Т, прохождение сигналов управления на выходе селекторов 17 и

55

да , однако одновибратор 24 сохраняет .длительность формируемого сиг- нала с учетом изменения Т, поскольку разрядности делителей 14 и 26. частоты постоянны и отличаются на единицу. Этим исключается необходимость технологической подстройки длительности одновибратора 24 и достигается некритичность к воздействию раз18, Соответственно исключается и прохождение электрической энергии от первичного источника 3 напряжения постоянного тока в нагрузку 8. При этом на обмотках трансформатора 6 инвертора 4 формируются смещенные на Т, прямоугольные импульсы равной длительности (фиг,2о),,

Таким образом, осуществляется защита от перегрузки по току коммутации в каждом из полупериодов коммутации. При этом обеспечивается и симметрирование работы регулируемого

конвертора в течение всего интервала действия перегрузки, исключается пре- вьпггение тока в каждом из плеч тации конвертора, В качестве датчика 19 тока может быть использован резистор с разделительным трансформатором,

35

40

45

Изменение частоты задающего генератора 9 приводит к изменению перио50

55

да , однако одновибратор 24 сохраняет .длительность формируемого сиг- нала с учетом изменения Т, поскольку разрядности делителей 14 и 26. частоты постоянны и отличаются на единицу. Этим исключается необходимость технологической подстройки длительности одновибратора 24 и достигается некритичность к воздействию различныхров .

дестабилизирующих факто Я1ормула изобретения

Регулируемый конвертор, содержащий силовой канал преобразования электрической :энергии, включающий управляемый силовой инвертор, питающий вход которого соединен с выводами для подключения первичного источника напряжения постоянного тока, и блок вьшрямления и фильтрации, вход которого соединен с выходом управляемого силового инвертора, а выход - с выводами Щ1Я подключения нагрузки, канал управления, включающий генератор синхроимпульсов, выход которого через первый делитель частоты подключен к входу формирователя длительности паузы, формирователь пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом формирователя длительности паузы, а выход - с первым входом широтно-импульсного модулятора, блок управления, выход которого подключен к второму входу широтно-импульсного модулятора, второй делитель частоты, вход которого соединен с выходом формирователя длительности паузы, одновибратор с последовательно включенными формирователем строб- импульсов, третьим делителем частоты вход которого подключен к выходу генератора синхроимпульсов, и инвертором, первый селектор, первый вход которого соединен с выходом формирователя длительности паузы, второй вход0

5

5

0

5

с выходом второго делителя частоты, третий вход - с выходом широтно-импульсного модулятора, а выход через первый согласующий элемент - с одним из управляющих .входов управляемого силового инвертора, второй селектор, первый вход которого подключен к выходу формирователя длительности паузы, второй вход - к выходу инвертора одновибратора, третий вход - к выходу второго делителя частоты, а выход через второй согласующий элемент - к другому управляющему входу управляемого силового инвертора, отличающийся тем, что, с целью повьшения технологичности и КПД путем увеличения точности симметрирования управляющих сигналов при перегрузке по току, в него введены датчик тока, пороговый элемент, триггер защиты и элемент 2И, причем датчик тока включен в общую токовую цепь силового инвертора и выходом соединен с входом порогового элемента, один из входов триггера защиты подключен к выходу формирователя длительности паузы, другой вход - к выходу порогового элемента, а выход - к четвертым входам селекторов, входы элемента 2И соединены с выходами формирователя длительности паузы и триггера защиты, а выход - с входом формирователя строб-импульсов, пятый вход первого селектора подключен к выходу инвертора одновибратора, а пятьтй вход второго селектора - к выходу щиротно-им- пульсного модулятора.

,7-«