Преобразователь постоянного напряжения в регулируемое постоянное Советский патент 1992 года по МПК H02M3/135 

4

у i я

1 r-J- f

т

ЯФП/7.

77 /J i

I

Ю CA О

4

-N

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении преобразователей постоянного напряжения одного уровня в регулируемое постоянное напряжение другого уровня повышенной мощности, например, для питания электроприводов постоянного тока с широким регулированием скорости вращения. Цель изобретения - расширение области использования за счёт увеличения диапазона регулирования при пониженном уровне пульсаций выходного тока. Преобразователь содержит m преобразующих каналов (например, m 3), каждый из которых состоит из последовательно включенных управляемого ключевого элемента (тиристора) 1 (2, 3), конденсатора 4 (5, 6) и индуктивности 7 (8, 9), причем катоды тиристоров объединены и образуют один входной вывод преобразователя, второй входной и выходной выводы преобразователя образованы объединением одних из выводов обмоток

JjЈ L| JJf

rvw

15

Ф&.1

индуктивностей. К точке соединения анода тиристора и конденсатора каждого из каналов подключены последовательно соединенные между собой диод 10 (11, 12) и обмотка дросселя 13 (14, 15), причем объединением одних из выводов последних (каждого из m каналов) образован второй выходной вывод преобразователя. РегулиИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания как централизованного, так и децентрализованного типов.

Известны структуры преобразователей постоянного напряжения в регулируемое постоянное (ППН) последовательного и параллельного типов. ППН последовательного типа характеризуется последователь- ным включением ключевого элемента и дросселя сглаживающего фильтра, а ППН параллельного типа характеризуется параллельным включением одного из этих элементов (ключа или дросселя) между ши- нами цепи преобразования. В выходной цепи обеих этих структур присутствуют конденсатор сглаживающего фильтра и диод, замыкающий ток нагрузки в момент регулировочных пауз. Управление ключе- вым элементом осуществляется от управляемого модулятора ширины импульсов (МШИ).

Недостатками таких преобразователей являются повышенное помехоизлучение из-за высокой крутизны фронтов и срезов импульсов тока, протекающего через ключевые элементы; относительно ограниченные возможности по мощностному диапазону, связанные с относительно огра- ничейной мощностью располагаемых полностью управляемых полупроводниковых приборов; сложность получения высокого качества выходного напряжения, связанная с высоким уровнем и низкой частотой пуль- саций фильтруемого напряжения и, как следствие, с увеличением массы сглаживающего фильтра,

Уменьшить уровень помехоизлучения можно на основе использования инверто- ров тока. Структура такого ППН выполняется в виде тиристорного или транзисторного инвертора, к выходу которого через конденсатор подключена первичная обмотка согласующего трансформатора. Вторич- ная обмотка через выпрямитель и фильтр подключена к выходным выводам ППН.

рование напряжения осуществляется частотным методом, причем при более высокой частоте управляющих сигналов расширяется диапазон регулирования по выходному напряжению за счет увеличения его верхней границы. В качестве ключевого элемента может быть использован биполярный транзистор. 1 з.п, ф-лы, 4 ил.

Регулирование выходного напряжения осуществляется частотным методом.

Недостатками такого решения являются сравнительно невысокое качество выходного напряжения, заметно ухудшающееся по мере приближения к нижней границе диапазона регулирования и связанное с этим увеличение массы фильтра. Кроме того, ограничено использование по мощности.

ППН относятся к структурам с одно- канальным преобразованием энергетического потока. Этим объясняется ограниченность их применения по мощностному диапазону. В значительной мере снять указанный недостаток позволяют ППН с много- канальным преобразующим трактом. Структурно они характеризуются наличием m преобразующих каналов, включенных параллельно по входу и параллельно (через дроссель фильтра) по выходу.

При реализации регулирования выходного напряжения в таком устройстве ключи должны быть полностью управляемыми. Система управления в этом случае состоит из последовательно связанных между собой задатчика частоты, m-разрядного регистра сдвига, причем каждый из m выходов которого соединен с соответствующим входом модулятора ширины импульсов. В свою очередь, выходы связаны с соответствующими управляющими электродами ключей, в общем случае через узел гальванической развязки и усиления.

Таким образом, на выходе т-фазного модулятора формируется m-фазная система напряжений с регулируемой скважностью.

Недостатками являются повышенный уровень помехоизлучения, связанный с наличием относительно резкого среза тока управляющего ключа в конце коммутационного инвертора, и относительно узкий диапазон регулирования выходного напряжения из-за принципиальной невозможности повышения его сверх уровня напряжения питания преобразователя.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее m преобразующих каналов, включающих в себя m зарядных цепочек, состоящих из управляемых ключей, подключенных с помощью общего дросселя к одному из силовых входных выводов, m разрядных цепочек, также состоящих из управляемых ключей, подключенных через общий дроссель к одному из выходных выводов, другой из которых является общим с другим входным. Между разрядным и зарядным блоками включены m перезарядных цепочек,состоящих из m управляемых ключей, подключенных через общий дроссель к общему выводу и m емкостей включенных между m управляемыми ключами переразрядного блока и общим силовым выводом. Устройство содержит также блок управления ключами.

Цель изобретения - расширение области использования путем увеличения диапазона регулирования при повышенном уровне пульсаций выходного тока.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователе, содержащем m подключенных между шинами питания зарядных цепочек, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и управляемых ключей, m разрядных вентилей, установленных в разрядных цепях между точками соединения конденсаторов и управляемых ключей и одним из выходных выводов для подключения нагрузки, другой из которых является общим, и индуктивные элементы, включенные во входную и выходную цепи, и блок управления ключами, использовано 2т указанных индуктивных элемента, m из которых установлены в зарядных, a m - в разрядных цепях, m разрядных вентилей выполнены неуправляемыми, блок управления выполнен в виде гл-фазного модулятора скважности, включающего последовательно соединенные частотно-управляемый за- датчик частоты и m-разрядный регистр сдвига, каждый из m выходов которого соединен с управляющим входом одного из m указанных ключей, При этом в качестве управляемых ключей могут быть установлены тиристоры.

На фиг. 1 представлена структурная схема силовой части предлагаемого ППН; на фиг. 2 - структурная схема системы управления; на фиг. 3 - вариант выполнения силового ключа преобразователя; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие формирование выходного тока преобразователя и требуемых сигналов управления.

Преобразователь (фиг. 1) содержит в частном случае три преобразующих канала (т 3) и состоит из последовательно включенных управляемых ключевых эле0

5

0

5

0

5

0

5

0

55

ментов (тиристоров) 1-3, конденсаторов 4-5 и индуктивностей 7-9. Причем катоды тиристоров 1-3 объединены и образуют один входной вывод преобразователя. Второй входной и выходной выводы преобразователя образованы объединением одних из выводов обмоток 7-9 индуктивностей. К точке соединения анода тиристора и конденсатора каждого из каналов подключены последовательно соединенные между собой диоды 10-12 и обмотки дросселей 13- 15. Причем объединением одних из выводов последних образован второй выходной вывод преобразователя. К выходным выводам преобразователя в общем.случае могут быть подключены сглаживающий конденсатор 16 и собственно нагрузка 17.

На фиг. 2 представлена система управления предлагаемого преобразователя, состоящая из последовательно связанных управляемого по частоте задатчика 18 частоты и трехфазного регистра 19 сдвига. Для формирования системы управляющих импульсов Uyi (i 1,3) служит блок 20 дифференцирования, входами соединенный с выходами регистра сдвига и содержащий в каждом канале дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора 21, к одному из выводов которого подключен шунтирующий резистор 22, к другому- анод буферного диода 24. Управляющие импульсы Uyi снимаются с катода диода 23. Анод диода 24 и второй вывод резистора 22 подключены к общей шине устройства.

Для обеспечения возможности использования в качестве силового ключа биполярного транзистора управляемый ключ выполнен по схеме, представленный на фиг. 3, Он состоит из последовательно включенных транзисторов 25, первичной обмотки трансформатора 26 тока, вторичная обмотка 27 которого подключена к эмиттер-базовому переходу транзистора по схеме положительной обратной связи, и диода 28. Первичная 26 и вторичная 27 обмотки трансформатора тока включены встречно. Причем обмотка 27 подключена через диод 29 к эмиттер-базовому переходу транзистора, зашунтированному резистором 30.

Принцип работы предлагаемого устройства поясняется временными диаграммами на фиг. 4, где Uyi, Uy2, Uy3 - сигналы управления ключами 1-3 соответственно; Ц,7, i5,8, ie,9 - токи через конденсаторы 4-6 и дросселя 7-9 каждого- из преобразующих каналов; и - ток через нагрузку 17; t0-ti; t2-t4; ts-t - интервалы заряда конденсаторов 4-6, соответствующие открытому состоянию ключей 1-3; .ti-ta; t4-te; интервалы заряда конденсаторов 4-6 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 4а приведены временные диаграммы работы преобразователя при относительно низкой частоте управляющих импульсов. Управляющие импульсы Uyi образуют симметричную трехфазную систему напряжений со сдвигом 2 л/3. Принцип работы каждого из трех каналов аналогичен, поэтому рассмотрим работу первого из них. При подаче управляющего импульса Uyi на управляющий электрод ключа 1 (тиристора), последний вскрывается. При этом ток i4,7, протекая через колебательный контур, образованный конденсатором 4 и индуктивностью 7, вызывает заряд конденсатора до значения напряжения большего, чем напряжение источника питания (благодаря индуктивности 7). При этом потенциал анода тиристора 1 становится отрицательнее потенциала катода, и тиристор 1 запирается обратным напряжением. Длительность этого процесса определяется собственной частотой колебаний LC-контура (из конденсатора 4 и индуктивности 7), 1 /V L С . Ток Ц,7 изменяется при этом по синусоидальному закону, что приводит к малому уровню помехоизлучений.

На следующем интервале происходит разряд конденсатора 4 по цепи: дроссель 7, нагрузка 17, дроссель 15, диод 12, с большей постоянной времени, чем при его заряде. Выходной ток 1.17 представляет собой сумму токов каждого из преобразующих каналов J4,7, i5,8, 1б,9При более высокой частоте управляющих сигналов (фиг. 46) ток через нагрузку увеличивается, а напряжение на нагрузке может достигать значений, близких к значению напряжения конденсатора в конце интервала его заряда, а следовательно, может достигать значений, больших напряжения питания. Это свидетельствует о возможности расширения диапазона регулирования преобразователя по выходному

напряжению за счет увеличения верхней его границы.

При детальном рассмотрении процессов в предлагаемом ППН, часть тока, зависящая от величины добротности LC-контура, проходит через нагрузку 17 и на интервале заряда конденсатора 4. Поэтому приведенные на фиг. 4 временные диаграммы отражают принцип работы ППН лишь в

упрощенном виде, более удобном для понимания функционирования устройства, не нанося ущерб существу процессов. Форму л а изо бретен и я 1. Преобразователь постоянного напряжения в регулируемое постоянное, содержащий m подключенных между шинами питания зарядных цепочек, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и управляемых ключей, m

разрядных вентилей, установленных в разрядных цепях между точками соединения упомянутых конденсаторов и управляемых ключей и одним из выходных выводов для подключения нагрузки, другой из которых

является общим, а также индуктивные элементы, включенные во входную и выходную цепи, и блок управления ключами, о т- личающийся тем, что, с целью расширения области использования путем

увеличения диапазона регулирования при пониженном уровне пульсаций выходного тока, в нем использовано 2т указанных индуктивных элемента, m из которых установлены в зарядных, a m - в разрядных цепях,

m разрядных вентилей выполнены неуправляемыми, упомянутый блок управления выполнен в виде m-фазного модулятора скважности, включающего в себя последовательно соединенные частотно-управляемый задатчик частоты и т-разрядный регистр сдвига, каждый из m выходов которого соединен с управляющим входом одного из m указанных ключей.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а - ю щ и и с я тем, что в качестве управляемых ключей установлены тиристоры.