Бестрансформаторный полумостовой инвертор Советский патент 1988 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и автоматики для преобразования постоянного напряжения в переменное с понижением его значения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения одновременного с инвертирова- нием понижения значения выходного напряжения относительно входного.

На фиг.1 приведена схема бестрансформаторного полумостового инвертора на фиг.2 - то же, с управляемым вы- ходным напряжением (с управляемым коэффициентом понижения напряжения).

Инвертор содержит полумост основных управляемых ключей 1 и 2, включенных согласно-последовательно межд входными выводами 3 и 4 для подключения источника электрической энергии. Точка 5 соединения ключей является первым выводом для подключения нагрузки R. Первый и второй конденсаторные узлы 6 и 7 образуют второй полумост и содержат N параллельно соединенных ветвей. На фиг.1 показаны первая ветвь 8, вторая ветвь 9, (Ы-1)-я ветвь 10 и N-H ветвь 11. Ветви с второй по (Ы-1)-ю состоят из последовательно включенных второго разрядного диода 12, конденсатора 13 и первого разрядного диода 14. Плюсовые выводы конденсаторов 13 в каждой ветви отмечены знаком +, минусовые выводы без знака. Конденсатор 13 в каждой ветви подключен к аноду второго разрядного диода 12, а минусовым выводом к катоду первого разрядного диода 14. Первая ветвь 8 каждого конденсаторного узла 6 и 7 состоит из последовательно соединенных конденсатора 13 и первого разрядного диода 14, а N-я ветвь 11 - из последовательно соединенных второго разрядного диода 12 и конденсатора 13, соединенных аналогично второй, третьей и т.д. ветвям. Ветви через N-1 зарядных диодов 15 соединены последовательно. Минусовый вывод конденсатора 13 каждой из (N-1) ветвей подключен к аноду (N-l)-ro разрядного диода 15, катод которого подключен к аноду второго разрядного диода N-й ветви. Вход 16 и выход 17 конденсаторных узлов связаны с вторым выходным выводом 18.

Q

0

5

0

5

0

5

0

5

Блок 19 управления управляет ключами 1 и 2 и может быть выполнен, например, по схеме симметричного мультивибратора, генератора Роера, или в качестве блока управления может быть применен трансформатор с двумя вторичными обмотками, управляющими ключами 1 и 2, первичная обмотка которого подключена к выходным выводам 5 и 18 непосредственно или через резистор. Возможно также применение блока управления с широтно- импульсной модуляцией (ШИМ).

В инвертор (фиг.2) введены дополнительно диоды 20 и 21, а также N дополнительных управляемых ключей. На фиг.2 показаны первый 22, второй 23, (Н-1)-й 24, N-й 25 дополнительные управляемые ключи. Дополнительные диоды 20 и 21 включены последовательно между первым 6 и вторым 7 конденсаторно-диодным блоками, причем первый дополнительньй диод 20 катодом подключен к выходу 17 первого конденсаторного узла, второй дополнительный диод 21 анодом подключен к входу 16 второго конденсаторного узла, точка 26 соединения дополнительных диодов является вторым выводом для подключения нагрузки. Каждый из N дополнительных управляемых ключей одним своим силовым выводом подключен к минусовому выводу конденсатора соответствующей ветви первого конденсаторного узла, а вторым силовым выводом к плюсовому выводу конденсатора (Ы+1-М)-й ветви второго конденсаторного узла.

Первый дополнительный управляемый ключ 22 соединяет конденсатор 13 первой ветви 8 первого узла 6 с конденсатором 13 N-й ветви 11 второго узла 7, второй дополнительный управляемый ключ 23 - конденсатор 13 второй ветви 9 первого узла 6 с конденсатором 13 (N-1)-й ветви 10 второго узла 7, (К-1)-й дополнительный управляемый ключ 24 - конденсатор 13 (К-1)-й ветви 10 первого узла 6 с конденсатором 13 второй ветви второго узла 7,N-й дополнительный управляемый ключ 25 - конденсатор 13 N-й ветви 11 первого узла 6 с конденсатором 13 первой ветви второго узла 7.

Инвертор работает следующим образом.

В один полупериод управляемый ключ 1 открыт, а управляемый ключ 2 закрыт. Конденсаторы 13 первого кон10

31372563

денсаторного узла 6 в параллельном включении разряжаются на нагрузку через открытые разрядные диоды 12 и 14, а также управляемый ключ 1. Зарядные диоды 15 закрыты, так как к ним приложено напряжение конденсаторов 13 в закрывающем направлении через открытые разрядные диоды 12 и 14. Конденсаторы 13 второго конденсаторного узла 7 в последовательном включении заряжаются от источника питания через открытые зарядные диоды 15,а также нагрузку. Разрядные диоды 12 и 14 второго конденсаторного узла 7 в этот полупериод закрыты, так как цепь разряда конденсаторов разомкнута, а напряжение источника электрической энергии за вычетом напряжения на нагрузке выше суммарного напряжения последовательно включенных конденсаторов 13. Ток заряда конденсаторов ограничивается сопротивлением нагрузки.

При повышении суммарного напряжения на конденсаторах U до значения 25

N

напряжение питания.

15

20

где 0„ N+1

заряд конденсаторов прекращается. Начиная с этого момента через нагрузку течет только ток разряда конденса- зо торов первого конденсаторного узла 6, соединенных при .разряде параллельно. При использовании конденсаторов 13 сравнительно большой емкости (в зависимости от частоты переключения инвертора и тока нагрузки), когда пульсация напряжения на этих конденсаторах мала, выходное напряжение имеет прямоугольную форму с амплитудой 1

35

и

полярностью, указанной О

h N+1

на фиг.1 без скобок. Для передачи одинаковой мощности в ветвях первой и N-й необходимо ввести по одному диоу (фиг.1, показано пунктиром).

В начале другого полупериода управляемый ключ 1 закрывается, а ключ 2 открывается. При этом открывается цепь параллельного разряда конденсаторов 13 второго конденсаторного уза 7. Заряженные в предьщущем полупериоде конденсаторы начинают разряаться на нагрузку через разрядные иоды 12 и 14, а зарядные диоды 15 закрываются. Первый конденсаторный узел 6 переходит в режим заряда. Сумма напряжений на конденсаторах 13, соединенных последовательно через разрядные диоды и частично разряжен45

50

55

ж ю

и м м в ж в

е

н т

и м и н и на

ро ам хо

на ют С кл в ме ра и

0

5

5

0

о

ных в предыдущий полупериод, оказывается меньше напряжения источника питания за вычетом напряжения на нагрузке. Поэтому открываются зарядные диоды 15 и конденсаторы 13 первого конденсаторного узла начинают заряжаться. Разрядные диоды 12 и 14 первого конденсаторного узла закрываются. При этом конденсаторы 13 заряжаются в полярности, указанной на фиг.1, полярность напряжения на нагрузке показана в скобках. Далее процессы повторяются .

Таким образом, на выходе инвертора формируется переменное напряжение.

При использовании в предлагаемом инверторе ШИМ, например, с целью стабилизации выходного напряжения возможно состояние, когда оба управляемых ключа 1 и 2 закрыты. Такое же состояние возможно, когда запуск инвертора производится после подачи напряжения источника питания, а также если выключение устройства производится в обратном порядке. В этом случае каждый конденсатор 13 заряжа1

ется до напряжения U г U

2N

так как

на входное напряжение включено последовательно 2N конденсаторов 13 и в первоначальное время запуска инвертора напряжение на нагрузке не превьтает значения V-- .

Указанное уменьшение напряжения на нагрузке при запуске и выключении инвертора повышает надежность как самого инвертора, так и обслуживаемой им аппаратуры, так как автоматически решается проблема исключения бросков напряжения при запуске и выключении инвертора без снятия питающего его напряжения.

Применение ШИМ позволяет регулировать выходное напряжение. При этом амплитудное значение переменного выходного напряжения изменяется от

«° N

В схеме с регулируемым выходным напряжением (фиг.2) процессы протекают аналогично с небольшими отличиями. С помощью дополнительных управляемых ключей выбирается количество ветвей в конденсаторных узлах 6 и 7. Наприер, если открыт дополнительный упавляемый N-й ключ 25, то в узлах 6 7 задействованы все N ступеней.

В один полупериод, когда ключ 1

Если открыт второй ключ 23, то в узле 6 задействованы первая 8 и вторая

9ветви, а в узле 7 - (Н-1)-я 10 и N-я 11 ветви. В этом случае амплитуда выходного напряжения составляет

открыт, а ключ 2 закрыт, конденсатор 13 ветвей 8 и 9 первого узла 6 разряжаются по цепи: плюсовые выводы кон- денсаторов 13, вторые разрядные диоды 12, открытый управляемый ключ 1, нагрузка R, открытый дополнительный диод 20, первые разрядные диоды 14, минусовые выводы конденсаторов 13. Второй дополнительный диод 21 в этот полупериод закрыт под действием разности потенциалов, приложенной к диоду 21 в закрывающем направлении. Заряд конденсаторов 13 (Ы-1)-й ветви

10и N-й ветви 11 второго конденса- торского узла 7 осуществляется по цепи: положительный вывод 3, открытый ключ 1, нагрузка, открытый дополнительный диод 20, диод 14 второй ветв

9 первого узла 6, открытый дополнительный управляемый ключ 23, конденсатор 13 (Н-1)-й ветви второго узла 7, N-й зарядный диод 15, конденсатор N-й.ветви, отрицательный вывод 4.

В другой полупериод при запирании ключа 1 и открывании ключа 2 соответственно открывается диод 21 и закрывается диод 20, конденсаторные узлы меняются ролями, а на нагрузке изменяется полярность напряжения. Далее процессы повторяются.

В данной схеме применение ШИМ возможно как с помощью основных управинвертированием понижения напряжения, каждый из конденсаторных узлов содержит N параллельно соединенных ветвей, где , К - коэффициент понижения напряжения, равный целому числу, начиная с 3, первая ветвь состоит из последовательно соединенных первого разрядного диода и конденсатора, причем катод диода соединен с отрица-« тельным выводом конденсатора, последняя N-я ветвь состоит из последовательно соединенных второго разрядного диода, анодом соединенного с положительным выводом конденсатора, остальные ветви состоят из последовательно соединенных первого разрядного диода, соединенного катодом с отрицательным выводом конденсатора, положительный вывод которого соединен с анодом второго разрядного диода, а катод каждого первого разрядного диода данной ветви соединен с анодом второго разрядного диода последующей ветви через согласно включенный за2. Инвертор поп.1,отлича- ю щ и и с я тем, что введены два дополнительных диода и N дополнительных управляемых ключей, каждый из

30 дополнительных диодов включен согласно-последовательно с соответствующим конденсаторным узлом,так, что один из выводов каждого из дополнительных диодов подключен к выходному выводу

35 инвертора, каждый М-й дополнительный управляемый ключ своим первым силовым выводом подключен к отрицательному выводу конденсатора ветви с номером М первого конденсаторного узла, где

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке источников вторичного злектропитания и устройств автоматики. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения одновременного с инвертированием понижения напряжения. Устройство содержит коммутирующие ключи, конденсаторы и нагрузку. Два коммутирующих ключа выполнены управляемыми и соединены согласно-последо- .вательно между выводами для подключения источника питания. Точка соединения упра вляемых ключей является первым выводом для подключения нагрузки, а остальные коммутирующие ключи выполнены неуправляемыми на диодах. Диоды объединены с конденсаторами в два аналогичных конденсаторно-диод- ных блока, представляющих собой схему накопления-деления. Ступени в каждом блоке соединены последовательно через зарядные диоды. Катоды первых разрядных диодов и первая обкладка конденсатора первой ступени объединены и представляют собой вход конден- саторно-диодного блока. Аноды вторых разрядных диодов и вторая обкладка конденсатора п-й ступени объединены и представляют собой выход конденса- торно-диодного блока. В схеме возможно применение широтно-импульсной модуляции как с помощью основных управляемых ключей, так и с помощью дополнительных управляемых ключей. Количество управляемых ключей не зависит от козф. понижения напряжения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л со М ND СЛ а 00

ляемых ключей 1 и 2, так и с помощью 40 ,...,N, а вторым силовым выводом дополнительных управляемых ключей 22-25.

Формула изобретения

к положительному вьшоду конденсатора ветви с номером N+1-M второго конденсаторного узла.

- Редактор В.Петраш

cay/2

Составитель В.Моин Техред М.Дидык

ф ф

фиг.1

m №

i LF- Ш

1:1

7

}

/

«Л

Щ

Г0

,T

P 1

Корректор М.Демчик