Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1991 года по МПК H02M7/10 

Os Ч) СО Os

ю so

Изобретение относится.к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Цель изобретения-улучшение массога- баритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразователя; на фиг. 2 и 3 - схема блока коммутации цепи заряда; на фиг. 4 - диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг. 5 - алгоритм работы блока управления.

Преобразователь (фиг. 1) содержит блок 1 преобразования рода тока, два блока 2 и 3 деления напряжения, блок 4 коммутации цепи заряда, второй 5 и третий 6 управляемые кл ючи, выходной конденсатор 7 и блок 8 управления.

Блок 1 преобразования рода тока со- держит первый управляемый ключ 9, один вывод которого соединен с объединенными анодами диодов 10 и 11, а другой - с объединенными катодами диодов 12 и 13. Анод диода 14 и катод диода 15 объединены и образуют второй вход 16 блока 1. Катод диода 10 и анод диода 12 объединены и образуют первый вход блока 1, который соединен с первым входным выводом 17 устройства. Вход 16 соединен с вторым входным выводом 18 устройства. Катоды диодов 11 и 14 объединены и образуют первый выход 19, а аноды объединенных диодов 13 и 15 образуют второй выход 20 блока 1.

Блоки 2 и 3 деления напряжения содер- жат по п цепочек, каждая из которых, кроме первой в блоке 2 и последней в блоке 3, состоит из последовательно соединенных конденсатора 21 и двух неуправляемых вен- тилей 22 и 23, а первая цепочка в блоке 2 и последняя цепочка в блоке 3 состоят соответственно из конденсатора 21, вентиля 23 и конденсатора 21, вентиля 22. Каждая предыдущая цепочка соединена с последующей (разнополярные обкладки смежных конденсаторов 21) через управляемый вентиль 24.

Блок 4 коммутации цепи заряда выводами 25 и 26 подключен к разноименным обкладкам конденсаторов 21 соответственно последней и первой цепочек блоков 2 и 3, а выводами 27 и 28 - соответственно к выходам 19 и 20 блока 1, Неуправляемые вентили 22 образуют катодную группу, выход которой является объединенными положи- тельными входом и выходом блоков деления напряжения, которые соединены с выходом 19 блока 1 и через управляемый ключ 5 с положительным выходным выводом 29 устройства, а неуправляемые вентили 23 образуют анодную группу, выход которой является объединенными отрицательными входом и выходом блоков деления напряжения, которые соединены с выходом 20 блока 1 и через управляемый ключ 6 с отрицательным выходным выводом 30 устройства. Конденсатор 7 включен между выходными выводами 29 и 30.

Входы 31 и 32 блока 8 управления подключены к входным выводам 17 и 18, а выходы 33-35 - к соответствующим управляющим электродам управляемых ключей 9, 5 и 6.

Фазная (Ф) шина источника переменного напряжения Ui подключается к выводу 17, а нейтрали (0) - к выводу 18. Нагрузка преобразователя одним выводом подключается к общему выводу 18, а другим - к выводу 29 или 30 в зависимости от требуемой полярности выходного напряжения UH. Кроме того, если требуется положительная полярность выходного напряжения, то вывод 30 должен быть соединен с выводом 18, а если - отрицательная полярность, то с выводом 13 должен быть соединен вывод 29.

При четном значении целой части коэффициента трансформации напряжения блок 4 коммутации цепи заряда (фиг. 2) содержит цепочку из последовательно включенных управляемого ключа 36, неуправляемого вентиля 37 и управляемого ключа 38. Соединенные вместе анод вентиля 37 и один вывод ключа 38 образуют первый вывод 25, соединенные вместе катод вентиля 37 и один вывод ключа 36 образуют второй вывод 26. Свободные выводы ключей образуют третий 27 и четвертый 28 выводы этого блока, которые подключаются в преобразователе согласно схеме (фиг, 1). Управляющие электроды 39 и 40 ключей 36 и 38 соединены с соответствующими выходами блока 8 управления.

При нечетном значении целой части коэффициента трансформации напряжения блок 4 коммутации цепи заряда (фиг. 3) содержит цепочку из последовательно включенных неуправляемого вентиля 41, конденсатора 42, управляемого ключа 43, конденсатора 44 и неуправляемого вентиля 45, при этом вентиль 41, конденсатор 42 и ключ 43 зашунтированы ключом 46, а ключ 43, конденсатор 44 и вентиль 45 - ключом 47. Соединенные вместе анод вентиля 41 и один вывод конденсатора 42 подключены к катоду вентиля 48, анод которого образует первый вывод 25. Соединенные вместе катод вентиля 45 и один вывод конденсатора 44 подключены к аноду вентиля 49, катод которого образует второй вывод 26, Третий 27 и четвертый 28 выводы блока 4 образованы соответственно объединенными катодом вентиля 41 и одним выводом ключа 46 и объединенными анодом вентиля 45 и одним выводом ключа 47. Емкость каждого конденсатора 42 и 44 равна удвоенной ем- кости одного конденсатора 21 блоков 2 и 3 деления напряжения (фиг. 1). Выводы 25-28 и 50-52 подключаются в преобразователе согласно схеме (фиг. 1).

Преобразователь (фиг. 1) работает еле- дующим образом.

Фаза (Ф) источника переменного напряжения Ui подключается к входному выводу 17, а нейтраль (0) - к входному выводу 18. Пусть на нагрузке требуется напряжение по- ложительной полярности относительно нейтрали. Тогда нагрузка подключается к выводам 29 и 18, а вывод 30 должен быть соединен с выводом 18 (если на нагрузке требуется напряжение отрицательной полярности отно- сительно нейтрали, то она должна подключаться к выводам 30 и 18, а вывод 29 должен быть соединен с выводом 18).

В установившемся режиме на конденсаторах 21 и 7 имеется напряжение, поляр- ность которого указана на фиг. 1. С момента ti (фиг. 4 и 5) и до момента t2 ключ 9 (фиг. 1) открыт, а ключи 5 и 6 закрыты. В это время заряда ts конденсаторы 21 блоков 2 и 3 через блок 1 подзаряжаются током i3 1з2 + 1зЗ. Токи i32 и 13з равны, так как сформированные блоком 4 две цепи заряда конденсаторов 21 блоков 2 и 3 идентичны. Конденсаторы 21 блока 2 подзаряжаются током 32 по цепи вывод 17 - диод 12 - ключ 9 - диод 11 - вывод 19 - последовательно включенные через вентили 24 конденсаторы 21 блока 2 - вывод 25 блока 4 - вывод 28 блока 4 - вывод 20 - диод 15 - выводы 16-18, а конденсаторы 21 блока 3 - током по цепи Вывод 17 - диод 12 - ключ 9 - диод 11 - вывод 27 блока 4 - вывод 26 блока 4 - последовательно включенные -через вентили 24 конденсаторы 21 - вывод 20-диод 15- выводы 16-18. К концу заряда каждый кон- денсатор блоков деления напряжения зарядится до напряжения, равного 1/п части от половины амплитудного значения Vm напряжения Ui, так как каждый блок 2 и 3 деления напряжения содержит п(,2,3...) конденсаторно-диодных цепочек, а последовательно включенные конденсаторы находятся под воздействием 0,5 Vm.

В течение времени заряда t3 и времени задержки гзад напряжение UH на нагрузке поддерживается выходным конденсатором 7, который разряжается по цепи конденсатор 7 - вывод 29 - нагрузка - объединенные выводы 30 и 18 - конденсатор 7. С момента ta после задержки для полного закрывания

ключа 9 и обрабатывания блока 4 открываются ключи 5 и 6 и все конденсаторы 21 параллельно и одновременно (каждый через свои разрядные вентили 22 и 23) в течение времени разряда tp разряжаются на параллельно соединенные конденсатор 7 и нагрузку по цепи конденсатор 21 - вентиль 22 - ключ 5 - конденсатор 7 и нагрузка - ключ 6 - вентиль 23 - конденсатор 21. При этом форма напряжения на выходном конденсаторе и нагрузке такая, как на фиг. 4.

С учетом времени задержки для полного закрывания ключей 5 и 6 длительность этого первого цикла (такта) заряд-разряд от момента ti до момента 1з равна t3 + tp + 21зад Т/6. С момента ta и до момента ts в этот же положительный полупериод преобразуемого напряжения осуществляется второй цикл работы. Его отличие от первого состоит в том, что в течение всего цикла цепь 25 и 26 блока 4 замкнута, цепь 27 и 28 блока 4 разомкнута, а цепь заряда конденсаторов блоков деления напряжения общая. При этом сохраняется длительность цикла и обеспечивается тот же коэффициент трансформации (2п конденсаторов осуществляют деление амплитудного значения напряжения).

С момента ts и до момента t6 происходит третий цикл заряд-разряд, аналогичный первому. В отрицательный полупериод преобразуемого напряжения также три цикла заряд-разряд конденсаторов блоков деления напряжения. Работа преобразователя отличается только цепью прохождения тока заряда через блок 1 преобразования рода тока вывод 18 - входной вывод 16 блока 1 - диод 14 - вывод 19 - цепь заряда конденсаторов 21 -вывод 20-диод 13- ключ 9-диод 10 - вывод 17. Четвертый () и шестой () циклы аналогичны первому и третьему циклам, а пятый цикл (tg-tn) аналогичен второму. Таким образом, за период преобразуемого напряжения осуществляется шесть циклов заряд-разряд конденсаторов реактивной части преобразователя с одинаковой длительностью циклов, равной Т/6.

Блок 4 коммутации цепи заряда (фиг. 2) работает следующим образом.

В первом, третьем, четвертом и шестом циклах (фиг. 4 и 5) в течение времени заряда ключи 36 и 38 открыты, что обеспечивает прохождение тока заряда 1з2 по цепи вывод 25 - ключ 38 - вывод 28 и прохождение тока заряда зз по цепи вывод 27 - ключ 36 - вывод 26. В течение времени разряда в этих циклах и в течение всей длительности второго и пятого циклов ключи 36 и 38 закрыты. В течение времени заряда во втором и пятом циклах ток заряда проходит по цепи

вывод 25 - вентиль 37 - вывод 26, при этом формируется общая цепь последовательно включенных конденсаторов 21. блоков 2 и 3 деления напряжения (фиг. 1). Такой режим работы блока 4 коммутации цепи заряда в составе преобразователя (фиг. 1) обеспечивает равную длительность Т/6 циклов заряд-разряд конденсаторов при четном значении целой части коэффициента трансформации напряжения N, так как деление входного напряжения осуществляется в моменты, когда его уровень равен 0,5 Vm и Vm, а суммарное количество конденсаторно-ди- одных цепочек в двух одинаковых блоках деления напряжения четное, т.е. N 2n, n 1,2,3....

Блок 4 коммутации цепи заряда (фиг. 3) работает следующим образом.

В течение времени заряда в первом, третьем, четвертом и шестом циклах (фиг. 4 и 5) управляемый ключ 43 закрыт, а ключи 46 и 47 открыты. При этом для прохождения тока заряда 3г образуется цепь вывод 25 - вентиль 48 - конденсатор 42 - ключ 47 - вывод 28, а для тока (Зз - цепь вывод 27 - ключ 46 - конденсатор 44 - вентиль 49 - вывод 26. Эта цепь является частью общей цепи заряда последовательно включенных конденсаторов 21 блоков 2 и 3 деления (фиг. 1). Суммарное напряжение, до которого подзарядятся конденсаторы 42 и 44, равно напряжению на одном конденсаторе 21. В течение времени разряда во всех циклах ключи 46 и 47 закрыты, ключ 43 открыт и последовательно соединенные открытым ключом 43 конденсаторы 42 и 44 через свои разрядные вентили 41 и 45 разряжаются на нагрузку. Такой режим работы блока 4 коммутации цепи заряда в составе преобразователя обеспечивает равную длительность Т/6 циклов заряд-разряд конденсаторов и большую точность среднего значения V0 выходного напряжения Он при нечетном значении целой части N коэффициента трансформации напряжения, так как при входном напряжении Ui, равном 0,5 Vm, оно трансформируется с коэффициентом n + 0,5, а при Ui, равном Vm - с коэффициентом 2п+ + 1 за счет добавления в соответствующие цепи одного или двух конденсаторов (42 и 44), т.е. N 2n + 1, n-1,2,3....

Таким образом, предлагаемый преобразователь является двухполупериодным ше- ститактным,.его частота преобразования в 1,5 раза выше, чем у известного, а длительность цикла заряд-разряд в 1,5 раза меньше. Поэтому при одинаковых входных и выходных параметрах суммарная емкость реактивной части преобразователя по сравнению с известным в полтора раза меньше

и, следовательно, меньше масса и объем реактивной части и преобразователя в целом.

Кроме улучшения массогабаритных показателей частота пульсации выходного напряжения предлагаемого преобразователя в 1,5 раза выше, чем у известного. По первой гармонике она равна 6 fee™. Поэтому при дальнейшем сглаживании пульсации допол0 нительное фильтрующее устройство имеет меньшие массу и объем.

Формула изобретения 1. Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий пер5 вые входной и выходной и вторые входной , и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, блок преобразования рода тока, состоящий из шести диодов и первого управляемого

0 ключа, причем катод первого и анод второго диодов соединены и образуют первый вход указанного блока, который подключен к первому входному выводу, анод первого диода соединен с одним выводрм управляемо5 го ключа и анодом третьего диода, другой вывод указанного ключа соединен с катодами второго и четвертого диодов, анод пятого и катод шестого диодов соединены и образуют второй вход блока, который подключен

0 к второму входному выводу, катоды третьего и пятого диодов соединены и образуют первый выход, а аноды четвертого и шестого диодов соединены и образуют второй выход указанного блока, основной блок деления

5 напряжения, состоящий из параллельных цепочек, каждая из которых, кроме первой, состоит из последовательно-согласно соединенных первого неуправляемого вентиля, конденсатора и второго неуправляемого

0 вентиля, а первая цепочка состоит из последовательно соединенных конденсатора с вторым неуправляемым вентилем, причем разноименные обкладки конденсаторов смежных цепочек соединены через третий

5 неуправляемый вентиль, катоды первых вентилей указанных цепочек и вывод свободной обкладки конденсатора первой цепочки объединены в общую точку, соединенную с первым выходом блока пре0 образования рода тока и подключенную через второй управляемый ключ к первому выходному выводу, аноды вторых вентилей указанных цепочек объединены в общую точку, соединенную с вторым выходом бло5 ка преобразования рода тока и подключенную, через третий управляемый ключ к второму выходному выводу, а также выход- но й конденсатор, включенный между выходными выводами, один из которых объединен с вторым входным выводом образуя общий вывод, и блок управления угн равляемыми ключами, обеспечивающий в течение каждого периода питающего напряжения переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряд-разряд кон- денсаторов блока деления напряжения, о т- личающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов, введены дополнительный блок деления на- пряжения и блок коммутации цепи заряда, причем дополнительный блок деления напряжения содержит столько же параллельных цепочек, что и основной блок деления напряжения, каждая из которых, кроме по- следней, состоит из последовательно соединенных первого неуправляемого вентиля, конденсатора и второго неуправляемого вентиля с конденсатором, причем равноименные обкладки конденсаторов смежных цепочек соединены через третий неуправляемый вентиль, катоды первых вентилей указанных цепочек объединены в общую точку и соединены с первым выходом блока преобразования рода тока, аноды вторых вентилей этих цепочек и вывод свободной обкладки конденсатора последней цепочки объединены в общую точку и соединены с вторым выходом блока преобразования рода тока, кроме того, первый и второй выводы блока коммутации цепи заряда соединены с разноименными обкладками конденсаторов соответственно последней и первой цепочек основного и дополнительного блоков деления напряжения, третий и четвертый выводы блока коммутации цепи заряда сое- динены соответственно с первым и вторым выходами блока преобразования рода тока, а блок управления выполнен обеспечивающим в течение каждого периода шеститакт- ное указанное переключение первого, второго и третьего управляемых ключей.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью обеспечения равной длительности циклов заряд-разряд конденсаторов при четном значении целой части коэффициента трансформации напряжения, блок коммутации цепи заряда вылолнен в виде цепочки последовательно соединенных первого управляемого ключа, неуправляемого вентиля и второго управляемого ключа, при этом соединенные вместе анод вентиля и один вывод второго управляемого ключа образуют первый вывод, соединенные вместе катод вентиля и один вывод первого управляемого ключа образуют второй вывод, а свободные выводы первого и второго управляемых ключей образуют соответственно третий и четвертый выводы указанного блока.

3. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью обеспечения равной длительности циклов заряд-разряд конденсаторов и повышения точности среднего значения выходного напряжения при нечетном значении целой части коэффициента трансформации напряжения, блок коммутации цепи заряда выполнен в виде цепочки последовательно соединенных первого неуправляемого вентиля, первого конденсатора, первого управляемого ключа, второго конденсатора и второго неуправляемого вентиля, причем указанные первые вентиль, конденсатор и ключ зашун- тированы вторым управляемым ключом, а первый управляемый ключ и упомянутые вторые конденсатор и вентиль зашунтиро- ваны третьим управляемым ключом, кроме того, соединен н ые вместе анод первого вентиля и один вывод первого конденсатора подключены к катоду третьего неуправляемого вентиля, анод которого образует первый вывод, соединенные вместе катод второго вентиля и один вывод второго конденсатора подключены к аноду четвертого неуправляемого вентиля, катод которого образует второй вывод, третий и четвертый выводы образованы соответственно объединенными катодом первого вентиля и одним выводом второго управляемого ключа и объединенными анодом второго вентиля и одним выводом третьего управляемого ключа, при этом емкость каждого из указанных первого и второго конденсаторов равна удвоенной емкости одного конденсатора цепочки блока деления напряжения.

II

INji

Фиг.2..

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Цель изобретения - улучшение массо- габаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов. Эффект обусловлен введением дополнительного блока 3 деления напряжения, соединенного с основным блоком 2 посредством блока 4 коммутации цепи заряда. При этом возможны две модификации блока 4, одна из которых дает возможность режима работы с четным значением целой части коэффициента трансформации напряжения, а другая предполагает нечетное его значение. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Фиг. З.

0,5Vm

О

fa 17 8 9 tf0 tft ti2

t2

$t Г

L Jrд. - U- i

ии v0

м I I

/ b

b I

I Лг/ UJ ЗаЗеркка

j j

||

if t

фигЛ

I

0