Преобразователь напряжения Советский патент 1989 года по МПК H02M3/337 

ел

cS

СП

Изобретение относится к области электротехники и может применяться при создании преобразователей постоянного напряжения в переменное, работающих на индуктивно-емкостную нагрузку. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости преобразователя. Преобразователь напряжения содержит инвертор 2, вход питания которого подключен к источнику 1 постоянного напряжения, а силовая цепь через датчик 3 тока - к индуктивно-емкостной нагрузке 4, пороговый элемент 5, подключенный входом к датчику тока, и узел управления 7, вход которого соединен с индуктивно - емкостной нагрузкой, а выход - с управляющим входом инвертора. Введен одновибратор 6, сигнал на выходе которого не меняется в интервале времени Т, в результате чего происходит блокировка импульсов помех, возникающих на выходе датчика тока в моменты переключения силовых элементов инвертора и радиопомех, приводящих к срабатыванию порогового элемента. 5 ил.

Фиг.1

. 15i35§4

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке источников питания радиоэлектронной аппара- з туры.

Цель изобретения - повьшшние помехоустойчивости преобразователя.

На фиг.1 показана функциональная схема преобразователя; на фиг,2 - Ю вариант построения узла управлершя; на фиг.3 и 4 - соответственно принципиальная схема инвертора с токовым управлением и один из вариантов индуктивно-емкостной, нагрузки; на 15 фиг,5 - временные диаграммы напряжений и токов в различных блоках преобразователя.

Преобразователь содержит источник, 1 постоянного напряжения, иквертор 2, датчик 3 тока индуктивно-емкостную нагрузку 4, формирователь импульсов переключения, состоящий из порогового элемента 5, одновибратора 6 и узла 7 управления.

Узел 7 управления (фиг,2) состоит из источника 8 опорного напрялшния, компаратора 9, инвертора SO, компаратора 11, элемента 12 задержки генератора 13 пилообразного напряжения, триггера 14 и элементов И-КЕ -15 и 16.

На принципиальной схеме (фиг.З) инвертора 2 изображены силовые транзисторы 17, рекуперативные диоды 18, импульсные трансформаторы 19 и управ- 35 ляющие транзисторы 20,

На принципиальной схеме (фиг„4) индуктивно-емкостной нагрузки 4 изображены главный трансформатор 2, диодно-емкостной умножитель 22,. де- 40 литель 23 напряжения и активная нагрузка 24,

25

30

На временных диаграммах (фиг,5) показаны следующие сигналы: 25 с датчика 3 тока, 26 - значение порога на пороговом элементе 5, 27 - на выходе порогового элемента 5, 28 - на выходе одновибратора 6 с внешним запуском, 29 - на первом выходе элемента задержки (подключенном к входам элементов И-НЕ), 30 - на втором выходе элемента 12 задержки, 31, 32 на выходах триггера 14, 33 - на выходе интегратора 10, 34 - на выходе генератора 13 пилообразного напряжения, 35 - на выходе компаратора Пр 36, 37 - на выходах элементов И-НЕ 15 и 16, 38, 39 - диаграм

5

5

0

5

0

5

55

мы протекания тока через силокь: ; транзисторы и рекуперативные диоды инвертора 2, 40 - значение уставки напряжения на источнике 8, 41 - напряжение на выходе делителя 23 нагрузки 4.

Преобразователь работает следую- пщм образом.

Источник 1 вьшрямляет напряжение сети и заряжает фильтр, входящий в его состав, до амплитудного значения -напрялсения сети.

Инвертор 2 может быть выполнен по одной из известных схем (мостовой, полумостовой или со средней точкой трансформатора

Для ускорения процесса переютюче- ния ершовых транзисторов 17 инвертор выполняется по схеме с токовым управлением с помощью импульсных трансформаторов 19, когда мощность н-а открывание силовых транзисторов 17 и удержание их в насьпценном состоянии берется из их коллекторных цепей с положительной обратной связью . Это обеспечивает быстрое переключение силовых транзисторов 17 их закрытого состояния в открытое и наоборот, что суще- . ственно снижает нагрев транзисторов в переходных процессах и позволяет увеличить выходную мощность инвертора.

После включения устройства в момент tj, на одном из выходов триггера 14 устанавливается сигнал 1 (диаграмма 3.1, фиг.З ), а на другом-, сигнал О (диаграмма 32). На .первом выходе элемента 12 задержки присутствует сигнал (диаграмма 29) и .на выходе второго компаратора 11 также имеется сигнал l (диаграмма 35). В результате на выходе одного из элементов И-НЕ, у которого на всех входах имеются сигналы 1, например элемента И-НЕ 15, появляет- ся сигнал О, т.е. отрицательный перепад от 1 до О (диаграмма 36), который.приводит к открьгоанию силовых транзисторов 17 одного из плеч инвертора 2 и протекан.ию тока от источника 1 питания через это плечо и датчик 3 тока в нагрузку 4, Датчик 3 тока вырабатывает вьшряьшенный сиг нал 5 пропорциональньй мгновенному значению тока, протекающему через инвертор 2. Если преобразователь работает на индуктивно-емкостг-гую нагрузку, то форма то.ка определяется

резонансными свойствми нагрузки

(диаграмма 25).

Сигнал с выхода датчика 3 тока поступает на вход порогового элемента 5, на котором устанавливается эна чение порога, близкое к нулевому значению тока с датчика 3 (диаграмма 26), ив момент времени tj на выходе порогового элемента 5 появляются прямоугольные импульсы (диаграмма 27), По переднему фронту этих импульсов срабатывает генератор 6 с внешним запуском и элемент 12 задержки, который на своих выводах формирует инвертированные импульсы. Сигнал о с первого выхода (диаграмма 29) поступает на входы элементов и на выходе элемента И-НЕ 15 появляется сигнал О (диаграмма 36), который вызывает закрывание силовых транзисторов 17 данного плеча инвертора. Сигнал 1 с второго выхода элемента 12 задержки своим передним фронтом перебрасывает триггер 14 в другое положение, когда сигнал 1 подается на вход другого элемента И-НЕ 16.

Благодаря накопленной энергии в индуктивности главного трансформатора 21 в нем возникает ЭДС самоиндукции, под действием которой ток в инверторе не прекращается мгновенно,, а продолжает протекать в том же направлении через рекуперативные диоды 18 другого плеча, постепенно уменьшаясь до нуля. При этом ЭДС самоиндукции превьппает напряжение на источнике 1 питания и переходы коллектор эмиттер силовых транзисторов 17 второго плеча находятся под обратным напряжением. Затем ЭДС самоиндукции изменяет знак, рекуперативный ток изменяет направление на обратное, проткает через рекуперативные диоды 18 первого гшеча, а на переходах коллектор- эмиттер силовых транзисторов второго плеча в этом время появляетс прямое напряжение. В течение этого интервала времени может быть подан, сигнал на открывание второго плеча и силовые транзисторы 17 второго плеча могут открыться.

Поэтому на элементе 12 задержки устанавливается такая длительность задержки Tj, что задний фронт импульса на его выходе попадает в указак гый выше интервал времени для откры, :- а:-;1-:я второго плеча. В момент

- 1358А6

t окончания импульса с элемента 12 задержки,.когда на его первом выходе появляется снова .сигнал 1 (диа- грамма 29), и при наличии сигнала 1 на выходе компаратора 11 (диаграмма 35), а также сигнала 1 на выходе триггера 14 (диаграмма 32), на выходе элемента И-НЕ 6 появля-

10 ется сигнал О (диаграмма 37), который открывает второе плечо инвертора 2, и через главный трансформатор 21 начинает протекать ток в другом направлении (вторая выпрям15 ленная полуволна тока на диаграмме 25). Далее процессы взаимодействия сигналов повторяются аналогично описанному.

Импульс с второго выхода элемен20 та 12 задержки (диаграмма 30) поступает также на управляющий вход генератора 13 пилообразного напряжения и сбрасывает напряжение пилы на время своего действия.(диаграм25 ма 34).

При увеличении мощности, отдаваемой в нагрузку, на переднем фронте полуволнового сигнала, с датчика 3 тока в. момент t открывания сило-

30 вых транзисторов 17 инвертора 2

возкикагат выбросы напряжения, которые приводят к срабатыванию порого-- вого элемента 5 (диаграмма 27). Но срабатывания элемента 12 задержки

2g (диаграммы 29, 30) не происходит, поскольку сигнал на его вход поступает с выхода генератора 6 с внешним запуском, который блокирует сигнал .помехи в интервале времени с

i, по Т, так как срабатывание генератора 6 происходит по переднему фронту первого пришедшего сигнала с порогового элемента 5 (диаграммы 27, 28) и все последуюгцие сигналы, вызванные помехами, не изменяют состояние на его выходе в течение времени Т,

Так, например, могут быть устранены радиопомехи, обусловлегшые высокими скоростями включения тока в силовой цепи инвертора 2, которые приводят к ложным срабатываниям порогового элемента 5.

Длительность Т импульсов на выходе генератора 6 выбирается из расчета обеспечения работы преобразователя в определенном диапазоне частот, т.е. должно соблюдаться условие

Т, Т

Т

2L

т, где Т, - интервал времени между моментами срабатывания порогового элемента 5 и переключением силовых транзисторов инвертора 17;

длительность полувол1сы сиг нала на выхоче датчика тока (диаграмма 25). В начале работы устройства напряжение на конденсаторах нагрузки 4 равно нулю и в процессе работы по мере их заряда постепенно возрастает, Соответственно возрастает напряжение обратной связи с выхода делителя 23 нагрузки 4 (диаграмма 41). До тех пор, пока напряжение обратной связи меньше напряжения уставки (диаг грамма 40) на источнике 8, на выходе компаратора 9 и интегратора 10 присутствует максимальный сигнал (диаграмма 33) и пилообразное напряжение с выхода генератора 13 (диаграмма 34) не достигает его, а поэтому на выходе компаратора 1I присутствует сигнал 1 (диаграмма 35). Когда напряжение обратной связи достигнет уставки (диаграммы 40, 41) сигнал на выходе компаратора 9 становится равным нулю, а сигнал на вьпсо- де интегратора 10 начинает уменьшаться,

В некоторый момент времени t у напряжение с выхода интегратора 10 становится меньше напряжения пилы с генератора 13 и на выходе компаратора 11 (диаграмма 35) появляется сигнал О, что приводит к появлению сигнала 1 на выходе элементов И-НЕ и соответственно к закрыванию ,силовых транзисторов 17 инвертора 2. Далее момент закрывания плеч инвертора, . а соответственно, длительность импульсов протекания тока определяется моментом появления сигнала о с компаратора 11,

Таким образом, на конденсаторах нагрузки 4 устанавливается напряжение, заданное величиной сигнала уставки на источнике 8 опорного напряжения. При зтом устройство находится в динамическом равновесии с заданным режимом, а именно при уменьшении напряжения на нагрузке 4 ниже сигнала уставки на выходе компаратора 9 появляется сигнал высокого уровня и увеличивается напряжение на выходе интегратора 1.0,

5

0

5

0

5

0

45

50

55

что приводит к увеличению длитепь- ности, а значит, и амплитуды импульсов тока и соответственно к увеличению напряжения на нагрузке 4 и наоборот, т,е. автоматически осуществляется -стабилизация напряжения на активной нагрузке 24,

На диаграммах 38 и 39 штриховкой показаны интервалы времени, в течение которых ток протекает через силовые транзисторы 17 инвертора 2, двойной штриховкой показаны интервалы времени, в течение которых ток протекает через рекуперативные диоды 18, без штриховки показаны интервалы времени, в течение которых ток через данное плечо инвертора 2 не протекает. Из диаграммы видно, что во всех случаях происходит автоматическое формирование защитных интерва лов между моментами закрывания транзисторов 17 одного плеча и открыванием транзисторов 17 другого плеча инвертора 2, что предотвращает образование сквозных токов в инверторе.

Из диаграммы (фиг.4) видно, что преобразователь ра:ботает не на постоянной частоте следования импульсов, а осуществляется автоподстрой- ка работы инвертора под резонансные характеристики индуктивно-емкостной нагрузки 4, инвертор работает на резонансной частоте нагрузки, т.е. преобразователь является самонастраивающимся. При этом происходит изменение как частоты следования импульсов (ЧИМ), так и дпительности импульсов (ШИМ.). Это обеспечивает возможность работы предложенного преобразователя с различными нагрузками и в широком диапазоне не потребляемой мощности без опасности образования сквозных токов в инверторе и выхода транзисторов инвертора из строя.

Использование одновибратора 6 с внешним запуском позволяет повысить помехоустой }.ивость преобразователя напряжения, так как происходит блокировка импульсов помех, возникающих на выходе датчика тока в моменты переключения силовых элементов инвертора, и радиопомех, приводящих к срабатыванию порогового элемента 5 в течение длительности Т, а также исключить автоколебания преобразователя в нерабочем диапазоне частот которые могут привести к перегреву силовых элементов инвертора 2 и вы-ходу их из строя, т.е. повысить на- пдежность преобразователя.

Формула изобретения

Преобразователь напряжения, содержащий силовой инвертор, управляющие входы которого подключены к выходам узла управления, выполненного на схеме с частотно-широтно-импульсным регулированием, при этом один из входов узла управления подключен к индуктивно-емкостной нагрузке, вход синхронизации узла управления подклю16

чен к выходу формирователя импульсов переключения, состоящего из порогового элемента, вход которого подклю чен к выходу датчика тока, включенно- го между выходом инвертора и входом индуктивно-емкостной нагрузки, резонансная частота которой близка к частоте инвертирования, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в упомянутый формирователь импульсов введен одно- вибратор, вход которого подключен к выходу порогового элемента, а его выходы образуют выходы формирователе.

кМ

Фиг. 2

Фиг.З