Преобразователь переменного напряжения в постоянное с двумя выходными напряжениями разной полярности Советский патент 1992 года по МПК H02M7/10 

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

Известен однофазный двухполупериод- ный преобразователь переменного напряжения в постоянное (а.с. № 1541732, Н 02 М 7/10), содержащий первый и второй входные выводы для подключения источника питания, первый, второй и третий выводы для подключения одной нагрузки, блок преобразования рода тока, конденсаторный блок накопления энергии и деления напряжения, первый и второй управляемые ключи, выходной конденсатор и блок управления управляемыми ключами, выполненный обеспечивающим в течение каждого периода питающего напряжения переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряд-разряд конденсаторов конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, причем, соответствующие входные выводы блока преобразования рода тока соединены с входными выводами преобразователя, а выходные выводы указанного блока с входными выводами конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, выходные выводы которого через управляемые ключи соединены с разноименными обкладками

4 СП О О О Јь

выходного конденсатора и соответственно с первым и вторым выходными выводами преобразователя, третий выходной вывод которого соединяется с первым или вторым выходным выводом в зависимости от требуемой полярности напряжения на нагрузке относительно третьего выходного вывода.

Однако указанное устройство обладает низкими массогабаритными показателями, так как для питания двух нагрузок со средней точкой необходимо два таких устройства включить параллельно по входу и с обеспечением двух разпополярных выходных напряжений, Это приведет к увеличению всех элементов в два раза и, как следствие, к увеличению массы и объема.

Кроме того, известен преобразователь переменного тока в постоянный Браслав- ского (а с № 714594, Н 02 М 7/12), являющийся прототипом изобретения и содержащий первый и второй входные выводы для подключения источника питания, первый, второй и третий выходные выводы для подключения двух последовательно соединенных нагрузок, два конденсаторных блокз накопления энергии и деления напряжения, первый и второй выходные и первый входной управляемые ключи, однофазный выпрямительный мост, два последовательно включенных стабилитрона и блок управления, при этом, положительный вывод выпрямителя через первый входной кпюч соединен с катодом одного стабилитрона и первым входным выводом первого конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, второй входной вывод которого и первый входной вывод второго конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения соединены с общей точкой соединения стабилитронов, а второй входной вывод упомянутого блока соединен с анодом другого стабилитрона и отрицательным выводом выпрямителя, кроме того, первый выходной вывод первого конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения через первый выходной ключ соединён с первым выходным выводом преобразователя, второй вывод упомянутого блока соединен с первым выходным выводом второго конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения и через второй выходной ключ - со вторым выходным выводом преобразователя, второй выходной вывод указанного блока соединен с третьим выходным выво дом преобразователя, первый и второй входные выводы которого соединены с входом выпрямителя.

Однако указанный преобразователь обладает низкими массогабаритными показателями, так как они определяются в большей части массой и обьемом конденсаторов, которые прямо пропорциональны емкости. Суммарная емкость реактивной части преобразователя зависит от требуемого качества преобразованного напряжения и от частоты преобразования, т.е. от длительности цикла заряд-разряд. Преобразовательявляетсяоднофазным

двухполупериодным двухтактным, у которого частота преобразования в два раза выше частоты преобразуемого напряжения и количество циклов (тактов) заряд-разряд конденсаторов за период Т преобразуемого

напряжения равно 2, а так как длительность цикла t3 ь tp Т/2 (:з tp - время заряда и разряда)велика, то для обеспечения допустимого уровня пульсации на нагрузках требуется большая величина

суммарной емкости реактивной части преобразователя.

Цель изобретения -улучшение массога- баритных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что

в преобразователь переменного тока в постоянный Браславского, содержащий первый и второй входные выводы для подключения источника питания, первый,

второй и третий выходные выводы для подключения двух последовательно соединенных нагрузок, два конденсаторных блока накопления энергии и деления напряжения, первый и второй выходные управляемые

ключи и блок управления управляемыми ключами, обеспечивающий в течение каждого периода питающего напряжения пере- ключение управляемых ключей в соответствие с циклами заряд-разряд конденсзторов конденсаторных блоков накопления энергии и деления напряжения, введены блок преобразования рода тока, блок коммутации цепи заряда, первый и второй управляемые ключи, первый и второй

конденсаторы, причем блок преобразования рода тока содержит шесть диодов и управляемый ключ, при этом катод первого диода и анод второго диода соединены и образуютпервый вход указанного блока, ко0 торый подключен к первому входному выводу преобразо вдтеля, анод первого диода соединен с одним выводом упомянутого управляемого ключа и анодом третьего диода, другой вывод указанного управляемого

5 ключа соединен с катодами второго и четвертого диодов, анод пятого и катод шестого диодов соединены и образуют второй вход блока, который подключен к второму входному выводу преобразователя, катоды третьего и пятого диодов соединены и образуют первый выход, аноды четвертого и шестого диодов соединены и образуют второй выход указанного блока, блок коммутации цепи заряда выполнен в виде цепочки последовательно соединенных первого коммутирую- щего ключа, диода и второго коммутирующего управляемого ключа, при этом соединенные вместе анод диода и один вывод второго коммутирующего управляемого ключа образуют первый вывод, соединенные вместе катод упомянутого диода и один вывод первого коммутирующего управляемого ключа образуют второй вывод, а свободные выводы первого и второго коммутирующих управляемых ключей обра- зуют соответственно третий и четвертый выводы указанного блока, при этом первый выход блока преобразования рода тока соединен с первым входным выводом первого конденсаторного блока накопления энер- гии и деления напряжений и с третьим выводом блока коммутации цепи заряда, второй выход блока преобразования рода тока соединен с вторым входным выводом второго конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения и с четвертым выводом блока коммутации цепи заряда, второй входной вывод первого конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения соединен с пер- вым выводом блока коммутации цепи заряда, второй вывод которого соединен с первым входным выводом второго конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод которого через первый выходной управляемый ключ соединен с первым выходным выводом преобразователя и одним выводом первого конденсатора, другой вывод которого соединен с объединенными вторым входным и вторым выходным выводами преобразователя, к которым подключен один вывод второго конденсатора, другой вывод которого соединен с третьим выходным выводом преобразователя и через вто- рой выходной управляемый ключ с вторым выходным выводом первого блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод которого и второй выходной вывод второго блока накопления энергии и деления напряжения соответственно через первый и второй дополнительные управляемые ключи соединены с вторым выходным выводом преобразователя.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг.З - алгоритм работы блока управления и управляемых ключей

Преобразователь (фиг,1) содержит блок преобразования рода тока 1, два конденсаторных блока накопления энергии и деления напряжения 2 и 3, блок коммутации цепи заряда 4, управляемые ключи 5,6,7 и 8, конденсаторы 9 и 10, блок управления 11, входные выводы 12 и 13, выходные выводы 14,15 и 16.

Блок преобразования рода тока 1 содержит управляемый ключ 17, один вывод которого соединен с объединенными анодами диодов 18 и 19, а другой - с объединенными катодами диодов 20 и 21. Катод диода 18 и анод диодэ 20 объединены и образуют первый вход 24 блока 1, который соединен с первым входным выводом 12 устройства. Анод диода 22 и катод диода 23 объединены и образуют вход 26 блока 1, который соединен с вторым входным выводом 13 устройства Катоды диодов 18 и 22 объединены и образуют первый выход 25, а аноды объединенных диодов 21 и 23 образуют второй выход 27 блока 1.

Блоки накопления энергии и деления напряжения 2 и 3 содержат по несколько цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных неуправляемого вентиля 28, конденсатора 29 и неуправляемого вентиля 30. Точки соединения конденсатора 29 и анода вентиля 28 первой цепочки и конденсатора 29 и катода вентиля 30 последней цепочки образуют соответственно первый 32 и второй 33 входные выводы в каждом из блоков 2 и 3. Разноименные обкладки конденсаторов 29 смежных цепочек соединены через неуправляемый вентиль 31. Катоды вентилей 28 в каждом блоке 2 и 3 объединены и образуют первый выходной вывод 35. Аноды вентилей 30 в каждом блоке 2 и 3 также объединены и образуют второй выходной вывод 34,

Блок коммутации цепи заряда 4 содержит цепочку, состоящую из последовательно включенных управляемого ключа 36, неуправляемого диода 37 и управляемого ключа 38. Точка соединения анода диода 37 и одного вывода ключа 38 образует первый вывод 39 блока 4. Точка соединения катода диода 37 и одного вывода ключа 36 образует второй вывод 40 блока 4. Другие выводы ключей 36 и 38 образуют соответственно третий 41 и четвертый 42 выводы блока 4.

Вывод 25 блока 1 соединен с выводом 32 блока 2 и с выводом 41 блока 4. Вывод 27 блока 1 соединен с выводом 33 блока 3 и с выводом 42 блока 4. Вывод 33 блока 2 соединен с выводом 39 блока 4, вывод 40 которого соединен с выводом 32 блока 3. Выводы 35 блока 2 и 34 блока 3 соответственно через ключи 5 и 6 соединены с объединенными выводами 13 и 15,которые соединены с одними из выводов конденсаторов 9 и 10, другие выводы которых соответственно соединены с выводом 14, через ключ 7 с выводом 35 блока 3 (конденсатор 9) и с выводом 16 и чер ез ключ 8 с выводом 34 блока 2 (конденсатор 10), Управляющие электроды 43...49 управляемых ключей соединены с блоком управления 11, входные выводы 50 и 51 которого соединены с выводами 12 и 13 устройства соответственно.

Фазная (Ф) шина источника переменного напряжения подключается к выводу 12, а нейтраль (О) - к выводу 13. Две последовательно включенные нагрузки с общей точкой подключаются своими свободными концами к выводам 14 и 16, а общей точкой - к выводу 15.

Управляемые ключи могут быть выполнены по общеизвестным схемам.

Блокуправления 11, реализующий алгоритм управления (фиг.З), может быть выполнен по общеизвестным схемам на цифровых элементах.

Устройство работает следующим образом

Фаза (Ф) источника переменного напряжения подключается к входному выводу 12, а нейтраль (О) - к входному выводу 13. Нагрузки подключаются к выходным выводам 14 и 16, а общая точка их соединения - к выводу 15.

В установившемся режиме на конденсаторах 29 (блоков 2 и 3), 9 и 10 имеется напряжение, полярность которого указана на фиг.1. Полярность вывода 14 относительно общего вывода 15 - положительная, а полярность вывода 16 - отрицательная,

С момента ti (фиг.2 и 3) идо момента ta ключи 17, 36 и 38 открыты, а ключи 5,6,7 и 8 закрыты. В это время заряд t3 конденсаторы 29 блоков 2 и 3 через блок 1 и блок 4 по своим зарядным цепям подзаряжаются токами 132И 3зОз 1з2 + зЗ). ТОКИ 132 И (зЗрЭВНЫ,

так как равны токи нагрузок и сформированные блоком 4 две цепи заряда конденсаторов 29 блоков 2 и 3 идентичны. Конденсаторы 29 блока 2 подзаряжаются током 32 по це( вывод 12- вывод24-диод 20 - ключ 17 - диод 19 - вывод 25 - вывод

32- последовательно включенные через вентили 31 конденсаторы 29 блока 2 - вывод

33- вывод 39 - ключ 38 - вывод 4Я - вывод 27 - диод 23 - вывод 26 - вывод 13, а конденсаторы 29 блока 3 подзаряжаются током 13з по цепи: вывод 12 - вывод 24 - диод 20 - ключ 17 - диод 19 - вывод 25 - выеод 41 - ключ 36 - вывод 40 - вывод 32 - последовательно включенные через вентили 31 конденсаторы 29 блока 3 - вывод 33 - вывод 27

- диод 23 - вывод 26 - вывод 13. К концу заряда каждый конденсатор блоков накопления энергии и деления напряжения зарядится до напряжения, равного 1/п части от

половины амплитудного значения Um напряжения Ui, так как каждый из блоков 2 и 3 содержит п (п 1,2,3...) конденсаторно-ди- одных цепочек. В течение времени заряда t3 и последующего времени задержки т3ад на0 пряжения UH на нагрузках поддерживают выходные конденсаторы 9 и 10.

С момента т.2 после задержки для полного закрывания ключей 17, 36 и 38 открываются ключи 5,6,7 и 8, происходит разряд

5 конденсаторов блоков 2 и 3 на соответствующие конденсаторы 10 и 9 для их подзаряда и нагрузки. Все конденсаторы 29 блока 2 параллельно и одновременно (каждый через свои разрядные вентили 28 и 30) будут в

0 течение времени разряда tp разряжаться на параллельносоединенные конденсатор 10 и соответствующую нагрузку по цепи: конденсатор 29 - вентиль 28 - вывод 35 - ключ 5 - вывод 15 - конденсатор 10 и нагрузка 5 вывод 16 - ключ 8 - вывод 34 - вентиль 30 - конденсатор 29. При этом форма напряжения DH на выходном конденсаторе 10 и одной из нагрузок будет такой, как указано на фиг.2, а полярность этого напряжения отно0 сительно общего вывода (общей точки нагрузок) будет отрицательной. Таким же образом будут разряжаться конденсаторы блока 3 через свои разрядные вентили и открытые ключи 7 и 6 на конденсатор 9 и

5 другую нагрузку, создавая на них напряжение такой же формы, но положительной полярности. С учетом времени задержки (фиг.З) для полного закрывания ключей 5...8 длительность этого первого цикла (такта) за0 ряд-разряд от момента ti до момента гз будет равна т.3 + tp + 2гЭад Т/6. С момента т.з и до момента ts в этот же положительный полупериод преобразуемого напряжения будет осуществляться второй цикл работы.

5 Его отличие от первого состоит в том, что в течение всего цикла ключи 36 и 38 блока 4 замкнуты, а цепь заряда конденсаторов 29 блоков 2 и 3 общая и осуществляется через диод 37 блока 4. При этом сохраняется дли0 тельность цикла и обеспечивается тот же коэффициент трансформации напряжения (2п конденсаторов осуществляют деление амплитудного значения напряжения сети). С момента ts и до момента t будет происхо5 дить третий цикл заряд-разряд, аналогичный первому. В отрицательный полупериод преобразуемого напряжения также будет три цикла заряд-разряд конденсаторов блоков накопления энергии и деления напряже- ния. Работа преобразователя будет

отличаться только цепью прохождения тока заряда через блок преобразования рода тока 1: вывод 13 - вывод 26 - диод 22 - вывод 25 - цепь заряда конденсаторов 29 блоков 2 и 3 - вывод 27 - диод 21 - ключ 17 - диод 18 - вывод 24 - вывод 12. Четвертый (от t до tg) и шестой (от tn до tia) циклы аналогичны первому и третьему циклам, а пятый цикл (от tg до tn) аналогичен второму. За период преобразуемого напряжения осуществляется шесть циклов заряд-разряд конденсаторов реактивной части преобразователя с одинаковой длительностью циклов, равной Т/6.

Таким образом, преобразователь переменного напряжения в постоянное с двумя выходными напряжениями разной полярности является двухполупериодным шеститак- тным. Его частота преобразования в три раза выше, чем у прототипа, а длительность цикла заряд-разряд в три раза меньше. Поэтому при одинаковых входных и выходных параметрах суммарная емкость реактивной части преобразователя по сравнению с прототипом будет в три раза меньше, и, следо- вательно, меньше масса и объем реактивной части и преобразователя в целом.

Кроме улучшения массогабаритных показателей устройство по сравнению с прототипом обладает еще и следующими преимуществами.

Общий входной и выходной вывод позволяет использовать преобразователь в любых сетях, в том числе и с заземленной нейтралью, что расширяет область применения.

Лучше используется первичный источник из-за более высокого коэффициента мощности устройства. Это позволяет уменьшить требуемую установленную мощность первичного источника, Следовательно, уменьшится масса и обьем как первичного источника, так и системы электропитания в целом.

Частота пульсаций выходных напряжений в 3 раза выше, чем у прототипа. По первой гармонике она равна бтсети. Поэтому при дальнейшем сглаживании пульсации дополнительное фильтрующее устройство будет иметь меньшие массу и объем.

Формула изобретения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное с двумя выходными на- пряж.ениями разной полярности, содержащий первый и второй выходные выводы для подключения истоиника питания, первый, второй и третий выходные выводы для подключения двух последовательно соединенных нагрузок, два конденсаторных

блока накоплеиия энергии и деления напряжения, каждый из которых имеет первый и второй входные и выходные выводы, а также первый и второй выходные управляемые 5 ключи и блок управления управляемыми ключами, выполненный обеспечивающим в течение каждого периода питающего напряжения переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряд-разряд кон0 денсаторов конденсаторных блоков накопления энергии и деления напряжения, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов,

5 в него дополнительно введены блок преобразования рода тока, блок коммутации цепи заряда, первый-и второй дополнительные управляемые ключи, а также первый и второй конденсаторы, причем блок преобразо0 вания рода тока содержит шесть диодов и управляемый ключ, при этом катод первого диода и анод второго диода соединены и образуют первый вход указанного блока, который подключен к первому входному выво5 ду преобразователя, анод первого диода соединен с одним выводом упомянутого управляемого ключа и анодом третьего диода, другой вывод указанного ключа соединен с катодами второго и четвертого диодов, анод

0 пятого и катод шестого диодов соединены и образуют второй вход блока, который подключен к второму входному выводу преобразователя, катоды третьего и пятого диодов соединены и образуют первый вы5 ход, аноды четвертого и шестого диодов со- единены и образуют второй выход указанного блока, блок коммутации цепи заряда выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных первого

0 коммутирующего управляемого ключа, диода и второго коммутирующего управляемого ключа, при этом соединенные вместе анод диода и один вывод второго коммутирующего управляемого ключа образуют первый

5 вывод, соединенные вместе катод упомянутого диода и один вывод первого коммутирующего управляемого ключа образуют второй вывод, а свободные выводы первого и второго коммутирующих управляемых

0 ключей образуют соответственно третий и четвертый выводы указанного блока, при этом первый выход блока преобразования рода тока соединен с первым входным выводом первого блока накопления энергии и

5 деления напряжения и с третьим выводом блока коммутации цепи заряда, второй выход блока преобразования рода тока соединен с вторым входным выводом второго блока накопления энергии и деления напряжения и с четвертым выводом блока коммутацим цепи заряда, второй входной вывод первого блока накопления энергии и деления напряжения соединен с первым выводом блока коммутации цепи заряда, второй вывод которого соединен с первым входным выводом второго блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод которого через первый выходной управляемый ключ соединен с первым выходным выводом преобразователя и одним выво дом первого конденсатора, другой вывод которого соединен с объединенными вторым входным и вторым выходным выво0

дами преобразователя, к которым подключен один вывод второго конденсатора, другой вывод которого соединен с третьим выходным выводом преобразователя и через второй выходной управляемый ключ со вторым выходным выводом первого блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод которого и второй выходной вывод второго блока накопления энергии и деления напряжения соответственно через первый и второй дополнительные управляемые ключи соединены с вторым выходным выводом преобразователя

J

Vm

гг

Использование: в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры, Сущность изобретения1 устройство состоит из блока преобразования рода тока 1, двух конденсаторных блоков накопления энергии и деления напряжения 2,3, блока коммутации цепи заряда 4, управляемых ключей 5-8, конденсаторов 9,10, блока управления 11, входных выводов 12, 13 и выходных выводов 14-16 Входы блока 1 соединены с выводами 12, 13, его выход 25 соединен с входом 32 блока 2 и с выводом 41 блока 4 Выход 27 блока 1 соединен с выводом 33 блока 3 и с выводом 42 блока 4. Аналогичный вывод блока 2 соединен с выводом 39 блока 4, вывод 40 которого соединен с выводом 32 блока 3 Вывод 35 блока 2 и вывод 34 блока 3 через ключи 5,6 соединены с объединенными входным 13 и выходным 15 выводами, а вывод 34 блока 2 через ключ 8 соединен с выходным выводом 16, Вывод 35 блока 3 через ключ 7 соединен с выходным выводом 14. Между выводами 14, 15 включен конденсатор 9, а между выводами 15, 16 - конденсатор 10 Указанное выполнение устройства обеспечивает снижение суммарной емкости его реактивной части, расширяет область применения, уменьшает установленную мощность первичного источника, т к имеют место увеличение частоты преобразования и уменьшение длительности цикла заряд- разряд 3 ил. (Л С

V Ъ

ssh-tfv4r

И II i il. И l И il

tt

,ZЈ,

i il. И l И

JИ

II

ftrt 2

Лi

г--J / кя U

J±ll