Преобразователь напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M3/337 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания средств автома - тики, телемеханики и вычислительной техники и в устройствах отображений 4 информации, в которых требуется преобразование постоянного напряжения и гальванического разделения входных и выходных цепей.

Известен преобразователь напряжения для устройств отображения информации, содержащий бестрансформаторный сетевой выпрямитель, емкостной фильтр, регулируемый преобразователь напряжения и устройство управления, выполненное в виде платы ШИМ (широтно-импульсного модулятора).

Недостатками этого преобразователя являются отсутствие возможности компенсаций нйзкоч ст ных гг ьйцйй1и поэтому большая их величина по сравнению с пульсациями на удвоенной частоте переключения; не обеспечивается стабилизация вольтсекунднрй площади импульсов выходного трансформатора и соответственно не обеспечивается инвариантность выходного

ч ел ел со ел Ьь

напряжения преобразователя к изменениям входного напряжения при его работе в режиме конвертора: для управления силовыми ключами в схеме управления необходимо напряжение формы Меандра: относительно большие затраты мощности от вспомогательного источника питания на управление транзисторами инверторной ячейки. л

Наиболее близким по технической сущ- ности является преобразователь напряжения, содержащий инверторную ячейку с выходным трансформатором, первичная обмотка которого выполнена со средней точкой для подключения выводе питания, вторичная обмотка подсоединена к выходным выводам, переключающий трансформатор, первичная обмотка которого через управляемый ключевой элемент соединена с одной из обмоток выходного трансформа- тора, а вторичные обмотки через базовые резисторы подключены к входам силовых транзисторов инверторной ячейки, синхронизирующий генератор с однополярными короткими прямоугольными импульсами на выходе, вторичная обмотка трансформатора которого подключена к входу блока принудительного запирания с однополярными запирающими импульсами по каждому выходу подключенному к входу соответствую- щего силового транзистора инверторной ячейки, причем выходной трансформатор выполнен с регулируемым немагнитным зазором, а переключающий трансформатор выполнен так, чтобы приращение индукции в его магнитопроводе было меньше его индукции насыщения.

Недостатками этого преобразователя являются отсутствие возможности регулирования выходного напряжения; зависи- мость длительности импульса выходного трансформатора от величины тока нагрузки из-за начала блокинг-процесса при увеличении нагрузки; отсутствие возможности ком пенсации низкочастотных пульсаций; не обеспечивается стабилизация вольтсекунд- ной площади импульсов выходного трансформатора и соответственно нет инвариантности выходного напряжения к изменениям входного в случае кспользова- ния преобразователя в режиме конвертора; ограниченность передаваемой в нагрузку мощности из-за наличия немагнитного зазора в магнитопроводе выходного трансформатора

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения регулирования выходного напряжения

Поставленная цель достигается тем, что в него дополнительно введены блок формирования импульсов запуска инверторной ячейки с однополярными короткими прямоугольными импульсами на его парафазных выходах, выпрямитель обратной связи, синхронизированный широтно-импульсный модулятор, выполненный с первым и вторым управляющими входами и входом синхронизации, а также регулируемый источник постоянного напряжения, дополнительная обмотка в выходном трансформаторе, дополнительная обмотка с отводом от средней точки в переключающем транс- Форматоре, дополнительный выход в блоке принудительного запирания, при этом синхронизированный широтно-импульсный модулятор соединен первым управляющим входом через выпрямитель обратной связи с дополнительной обмоткой выходного трансформатора, вторым управляющим входом - с выходом регулируемого источника постоянного напряжения, входом синхронизации-свыходомсинхрони ирующего генератора, выходом - с входом блока принудительного запирания, дополнительный выход которого подключен к входу управляемого ключевого элемента, выход синхронизирующего генератора соединен также с входом блока формирования импульсов запуска инверторной ячейки, к парафазным выходам которого подключена дополнительная обмотка переключающего трансформатора.

Введена также цепь отрицательной обратной связи, входомтюдключенная к выходу LCD - фильтра, а выходом - к входу управления регулируемого источника постоянного напряжения.

Сравнение заявляемого технического решения с аналогами и прототипом показывает, что в аналогах используются традици- онные принципы конвертирования напряжения, при которых инверторная ячейка служит усилителем мощности с внешним возбуждением и для стабилизации выходного напряжения вводится общая отрицательная обратная связь В прототипе используется управляемый блокинг - процесс без регулирования длительности импульсов выходного трансформатора с фиксированной паузой на нуле, но нет возможности регулирования выходного напряжения в самом преобразователе.

В изобретении используется несколько иной принцип преобразования и стабилизации напряжения, а именно стабилизируется вольтсекундная площадь импульсов путем изменения их длительность в обратно пропорциональной зависимости от входного напряжения, а пауза между импульсами изменяется в прямо пропорциональной зави

симости от входного напряжения, регулирование выходного напряжения осуществляется за счет изменения длительности импульсов. Достигается это с помощью полностью управляемого блокинг-процес еа при формировании импульса и паузы между импульсами, применение которого, во-первых, позволяет использовать энергию для управления транзисторами инверторной ячейки в основном от самой инверторной ячейки и, во-вторых, способствует уменьшению длительности фронтов при коммутации транзисторов инверторной ячейки, что способствует уменьшению динамических потерь на этих транзисторах

На фиг.1 изображена блок-схема устройства: на фиг.2 и 3 - временные диаграммы напряжений на его элементах.

Преобразователь напряжения (фиг.1) содержит четыре силовых транзистора 1,2, 3, 4, эмиттеры транзисторов 2 и 4 объединены и соединены с общей шиной преобразователя, а эмиттеры транзисторов 1 и 3 соединены соответственно с коллекторами транзисторов 2 и 4 К точкам соединения транзисторов 1,2 и 3, 4 подключены выводы первичной обмотки 5 выходного трансформатора 6. Коллекторы транзисторов 1 и 3 объединены и подключены к плюсовому выводу источника питания 7 постоянного TOka, например, бестрансформаторного выпрямителя, а минусовой вывод этого источника соединен с общей шиной преобразователя напряжения. Вторичная обмотка 8 выходного трансформатора 6 соединена с нагрузкой 9 через блок выпрямителя 10 и LCD-фильтр 11./

Кроме того, устройство содержит цепь положительной обратной связи, включенную параллельно обмотке 12 выходного трансформатора 6 и состоящую из последовательно соединенных управляемого ключевого элемента 13 и первичной обмотки 14 переключающего трансформатора 15, вторичные обмотки 16, 17, 18 и 19 которого подключены через базовые резисторы 20, 21, 22 и 23 к переходам база - эмиттер силовых транзисторов 1, 2, 3 и 4. Вторичная обмотка 24 с отводом от средней точки переключающего трансформатора 15 соеди- нена с выходами блока формирования импульсов запуска 25 с однополярными короткими прямоугольными импульсами на его парафазных выходах, вход которого подключен к синхронизирующему генера- тору 26 с однополярными короткими прямоугольными импульсами на выходе. К нему подключен также вход синхронизации 27 синхронизированного широтно-импульсно- го модулятора 28. у которого первый управляющий вход 29 через выпрямитель обратной связи 30 соединен с обмоткой 31 выходного трансформатора 6. Второй управляющий вход 32 соединен с выходом регулируемого источника постоянного напряжения 33, а выход подключен к входу блока принудительного запирания 34 с однополярными запирающими импульсами по выходам. Выходы 35, 36, 37, 38 подсоединены к переходам база-эмиттер силовых транзисторов 1,2,3,4 соответственно. Выход 39 блока принудительного запирания 34 соединен с входом управляемого ключевого элемента 13

Устройство также содержит цепь общей отрицательной обратной связи 41, показанную на фиг.1 пунктиром и подключенную входом к выходу LCD-фильтра 11, а выходом соединенную с входом управления регулируемого источника постоянного напряжения 33.

Синхронизирующий генератор 26, блок принудительного запирания 34, блок формирования импульсов запуска 25, регулируемый источник постоянного напряжения 33 и цепь отрицательной обратной связи 41 подключены по питанию к вспомогательному источнику питания 40.

В устройстве может быть включен измерительный трансформатор 42, показанный на фиг.1 пунктиром, включенный входом к выводам вторичной обмотки 8 выходного трансформатора 6, а выходом - к входу выпрямителя обратной связи 30 При подключении измерительного трансформатора 42 выпрямитель обратной связи 30 должен быть отключен от вторичной обмотки 31 выходного трансформатора 6.

В режиме конвертора в разомкнутой цепью отрицательной обратной связи устройство работает следующим образом

При включении первичного источника электроэнергии, например, сети переменного тока, питающее напряжение С источника 7 постоянного тока (U на фиг 2а) поступает на инверторную ячейку выполненную на силовых транзисторах 1, 2, 3, 4. С вспомогательного источника питания 40 подается питающее напряжение (LMo на фиг.2а) на синхронизирующий генератор 26, блок формирования импульсов запуска 25, блок принудительного запирания 34 и регулируемый источник постоянного напряжения 33.

Синхронизирующий генератор 26 формирует прямоугольное импульсное напряжение малой скважности Ucxi (фиг.2б) По фронту импульса Ucxi синхронизирующего генератора 26 блок формирования импульсов запуска 25 формирует импульсы запуска

Dai и U32 (фиг 2в и г), подаваемые с помощью обмоток 24, 16 и 18 переключающего трансформатора 15 на базы соответственно транзисторов 3 и 2 через резисторы 21, 22, а с помощью обмоток 24, 17 и 19 - на базы соответственно транзисторов 1 и 4 через резисторы 20 и 23. Очевидно, что при подаче на базы транзисторов 2 и 3 открывающих импульсов, на базы транзисторов 1 и 4 поступают запирающие импульсы и наоборот (фиг. 2 в и г).

Пусть в момент времени to блок формирования импульсов запуска 25 формирует запускающий импульс Usi (фиг.2в), который подается на базы силовых транзисторов 1 и 4, блок принудительного запирания 34 снимает запирающий сигнал по выходам 35 и 37 с баз этих транзисторов и по выходу 39 - с управляющего входа управляемого ключевого элемента 13, которые благодаря этому находятся в проводящем состоянии (фиг.2д). Так как в момент времени to потенциалы 11кэ1 и 1)кэ4 на транзисторах 1 и 4 понижаются, то по цепи: плюсовой вывод источника 7 постоянного тока, переход коллектор-эмиттер транзистора 1, первичная обмотка 5 выходного трансформатора 6, переход коллектор-эмиттер транзистора 4, общая шина, минусовой вывод источника 7 постоянного тока, начинает протекать ток. Вследствие этого в обмотке 12 выходного трансформатора 6 наводится ЭДС, которая вызывает ток в цепи: обмотка 12 выходного трансформатора б, управляемый ключевой элемент 13 (так как он открыт), первичная обмотка 14 переключающего трансформатора 15. Этот ток наводит в обмотках 17 и 19 ЭДС такой полярности, которая способствует поддержанию открытого состояния транзисторов 1 и 4 (lion и Т4 на фиг.2в); на обмотках 16 и 18 - ЭДС, способствующая запиранию транзисторов 2 и 3. В это же время на обмотке 31 выходного трансформатора 6 наводится ЭДС, пропорциональная разностному напряжению между напряжением источника 7 постоянного тока и падениями напряжения на открытых транзисторах 1 и 4, которая через выпрямитель обратной связи 30 (Uyi на фиг. 2е) подается на первый управляющий вход 29 синхронизированного широтно-импульсного модулятора 28, по которому формируется или регулируется наклон линейно изменяющегося напряжения, На его вход синхронизации 27 от синхронизирующего генератора 26 подается запирающий импульс Ucx2 (фиг.2ж), которым задается момент начала формирования линейно изменяющегося напряжения, всякий раз изменяющегося от напряжения, близкого к нулевому,

На второй управляющий вход 32 синхронизированного широтно-импульсного модулятора 28 от регулируемого источника 33 постоянного напряжения подается постоянный уровень напряжения Uy2 (фиг.2з), являющийся порогом сравнения для линейно изменяющегося напряжения, по достижении которого выходной сигнал синхронизированного широтно-импульсно0 го модулятора 28 скачкообразно изменяется.

Таким образом, в зависимости от напряжений Uyi и Ку2, синхронизированный ши- ротно-импульсный модулятор 28 формирует

5 временной интервал t0-ti, в течение которого на его выходе устанавливается высокий потенциал (фиг.2и). В момент времени ti, когда на выходе синхронизированного широтно-импульсного модулятора 28 устанав0 ливается низкий потенциал, блок принудительного запирания 34 формирует запирающие сигналы на выходах 35, 36, 37, 38 (Ue и и Т4 на фиг.2в и 1)бТ2 и тз на фиг.2г) и на выходе 39. Последний закрываетуправ5 ляемый ключевой элемент 13, на котором выделяется ЭДС самоиндукции обмотки 12 выходного трансформатора 6 (интервал ti-t2 на фиг.2д). Благодаря этому транзисторы 1, 2, 3 и 4 закрыты и по первичной обмотке 5

0 выходного трансформатора 6 ток не протекает. Так как в интервале времени t0-ti транзисторы 1 и 4 открыты, то по первичной обмотке 5 выходного трансформатора 6 протекает ток, который наводит в обмотке 8

5 ЭДС UH, вызывающую ток в нагрузке 9 через блок выпрямления 10 и LCD-фильтр 11.

Пусть в момент времени t2 блок формирования импульсов запуска 25 формирует запускающий импульс 11з2, а блок принуди0 тельного запирания 34 снимает запирающий сигнал по выходам 36 и 38 с баз этих транзисторов и по выходу 39 - с управляемого ключевого элемента 13, которые благодаря этому находятся в проводящем

5 состоянии (фиг.2д) - для управляемого ключевого элемента 13). Так как в момент времени t2 потенциал на коллекторах транзисторов 2 и 3 понижается, то по цепи: плюсовой вывод источника 7 постоянного

0 тока, переход коллектор-эмиттер транзистора 3, первичная обмотка 5 выходного трансформатора 6, переход коллектор-эмиттер транзистора 2, общая шина, минусовой вывод источника 7 постоянного тока, начинает

5 протекать ток в направлении, противоположном направлению этого тока в момент времени То. Вследствие этого в обмотке 12 трансформатора 6 наводится ЭДС, которая вызывает ток в цепи: обмотка 12 выходного трансформатора 6, управляемый ключевой

элемент 13 (так как он Открыт в этот момент времени), первичная обмотка 14 переключа- ющеготрансформатора 15, обмотка 12. Этот ток наводит в обмотках 16 и 18 ЭДС такой полярности, которая способствует поддержанию открытого состояния транзисторов 2 и 3,

В момент времени t2 на обмотке 31 вьР ходного трансформатора 6 также наводится ЭДС, которая через выпрямитель 30 (Uyi на фиг.2е) подается на первый управляющий вход 29 синхронизированного широтно-им- пульсного модулятора 28, у которого на вход синхронизации 27 подается запирающий импульс Усхг (фиг.2ж) с синхронизирующего генератора 26 На втором управляющем входе 32, как и в предыдущем случае, устанавливается постоянный уровень напряжения 1)у2 -с помощью регулируемого источника 33 постоянного напряжения (фиг.2з) Так же, как и в интервале времени t0-t2. в зависимости от напряжений Uyi и Uy,: синхронизированный широтно-импульсн ый модулятор 28 формирует временной интервал t2-t3. в течение которого на его выходе устанавливается и поддерживается высокий потенциал (фиг 2и) В момент времени 1з блок принудительного запирания 34 формирует запирающие сигналы на базах транзисторов 2 и 3 (U6T2 и тз на фиг.2г) и на выходе 39, которые закрывают управлйё- мый ключевой элемент 13, разрывая тем самым цепь положительной обратной связи и на нем выделяется ЭДС самоиндукции обмотки 12 выходного трансформатора 6 (фиг.2д). Так как в интервале времени t2-t3 по первичной обмотке 5 выходного трансформатора 6 протекает ток, то он наводит ЭДС UH во вторичной обмотке 8 этого трансформатора (фиг.2к), передавая энергию от источника 7 постоянного тока в нагрузку 9 через выпрямитель 10 и LCD-фильтр 11. В моменты времени т.4 и te вновь формируются импульсы запуска и 11з2 соответственно и описанные процессы повторяются.

Стабилизирующее регулирование по входному напряжению в устройстве, работающем в режиме конвертора с разомкнутой цепью отрицательной обратной связи, осуществляется следующим образом

При включении первичного источника электроэнергии, например, сети переменного тока, нестабилизированное питающее напряжение с источника 7 постоянного тока (U на фиг.За) поступает на инверторную ячейку, выполненную на транзисторах 1, 2, 3, 4. С вспомогательного источника питания 40 стабилизированное питающее напряжение (LUo на фиг.За) подается на синхронизирующий генератор 26 блок формирования

импульсов запуска 25, блок принудительного запирания 34, регулируемый источник постоянного напряжения 33. Далее устройство работает аналогично описанному. Отличие состоит в следующем На обмотке 31 выходного трансформатора 6 ЭДС пропорциональна напряжению источника 7 постоянного тока (за вычетом падения напряжения на силовых транзисторах) и через

0 выпрямитель обратной связи 30 подается на первый управляющий вход 29 синхронизированного широтно-импульсного модулятора 28.

Пусть на второй управляющий вход 32

5 синхронизированного широтно-импульсного модулятора 28 подается постоянный уровень напряжения (фиг.Зв), а на вход синхронизации 27 - импульсы синхронизации Осх2 с синхронизирующего генератора

0 26 (фиг 36) В соответствии с описанным алгоритмом, заложенным в синхронизированный широтно-импульсный модулятор 28, на его выходе формируется импульсы, длительность которых обратно пропорциональна

5 величине напряжения Uyi (фигЗг) Аналогичное по длительности и пропорциональное напряжению источника 7 постоянного тока по амплитуде импульсное напряжение поступает с вторичной обмотки 8 выходного

0 трансформатора 6 после выпрямителя 10 на интегрирующийиСТРфильтр 11, после которого сглаженное постоянное напряжение подается на нагрузку 9, Синхронизированный широтно-импульсный модулятор 28 мо5 жет быть отрегулирован по первому управляющемувх оду29так,чтобы напряжение на нагрузке 9 (ее величина постоянная) не изменялось при изменениях входного напряжения в заданных пределах (фиг Зд)

0Для уменьшения влияния сопротивления нагрузки на выходное напряжение может быть введена цепь отрицательной обратной связи 41 Принцип работы этой цеп и состоит в т Гм, йто нагТр яЖеТЭие на на5 грузке (или часть его) сравнивается с опорным напряжением, разностный сигнал усиливается и поступает на управляющий вход регулируемого источника постоянного напряжения 33, напряжение Uy2 на выходе

0 которого изменяется таким образом, чтобы напряжение на нагрузке UH было постоянным в заданных пределах при любых допустимых изменениях сопротивления нагрузки

5 При введении цепи отрицательной обратной связи регулируемый источник постоянного напряжения 33 может быть в принципе исключен и выход усилителя рассогласования цепи отрицательной обратной связи 41 в этом случае подключается к второму управляющему входу 32 синхронизированного широтно-импульсного модулятора 28 непосредственно или через элемент гальванической развязки. Очевидно, что в этом случае усиленный разностный сигнал изменяется таким образом, что напряжение на нагрузке остается постоянным,

Для уменьшения влияния динамических изменений нагрузки на выходное напряжение может быть введен измерительный трансформатор 42, первичная обмотка которого в этом случае подключается к выводам вторичной обмотки 8 выходного трансформатора 6, а вторичная - к входу выпрямителя обратной связи 30. При этом выводы дополнительной обмотки 31 выходного трансформатора 6 отключаются от входа выпрямителя обратной связи 30.

Использование предлагаемого технического решения позволит практически исключить влияние нагрузки на вольтсекундную площадь импульсов выходного трансформатора и обеспечить их ста- бильность, устранить ограничения в передаваемой в нагрузку мощности. Это способствует повышению качества выходного напряжения, так как обеспечивается компенсация пульсаций входного нестабилизированного напряжения, устраняются сквозные токи через силовые транзисторы, задается стабильная частота преобразования и улучшаются динамические характеристики

Таким образом, общественно-полезный эффект, получаемый от изобретения, состоит в улучшении технических характеристик преобразователей напряжения, например, в системах отображения информации или электропитания систем автоматики, телемеханики и вычислительной техники.

Формула изобретения 1. Преобразователь напряжения, содержащий инверторную ячейку с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого через блок выпрямителя и LCD-фильтр подключена к выходным выводам, переключающий трансформатор, первичная обмотка которого через управляемый ключевой элемент соединена с одной из обмоток выходного трансформатора, а вторичные обмотки переключающего трансформатора через базовые резисторы подключены к входам силовых транзисторов инверторной ячейки, синхронизирующий генератор с од- нополярными короткими прямоугольными

импульсами на выходе, блок принудительного запирания с однополярными запирающими импульсами по каждому выходу, подсоединенному к соответствующему входу силового транзистора инверторной ячейки, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения регулирования выходного напряжения, в него дополнительно

введены блок формирования импульсов запуска инверторной ячейки с однополярными короткими прямоугольными импульсами на его парафазных выходах, выпрямитель обратной связи, синхронизированный широтно-импульсный модулятор, выполненный с первым и вторым управляющими входами и входом синхронизации, а также регулируемый источник постоянного напряжения, дополнительная обмотка в выходном трансформаторе, дополнительная обмотка с отводом от средней точки в переключающем трансформаторе, дополнительный выход в блоке принудительного запирания, при этом синхронизированный

широтно-импульсный модулятор соединен первым управляющим входом через упомянутый выпрямитель обратной связи с допол- нительной обмоткой выходного трансформатора, вторым управляющим

входом - с выходом регулируемого источника постоянного напряжения, входом синхронизации, с выходом синхронизирующего генератора, выходом - с входом блока принудительного запирания, дополнительный

выход которого подключен к входу управляемого ключевого элемента, выход синхронизирующего генератора соединен также с входом блока формирования импульсов запуска инверторной ячейки, к парафазным

выходам которого подключена упомянутая дополнительная обмотка переключающего трансформатора.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в него дополнительно

введена цепь отрицательной обратной связи, входом подключенная к выходу LCD- фильтра, а выходом - к входу управления регулируемого источника постоянного напряжения.

3. Преобразователь по пп.1 и 2, о т л и - чающийся тем, что выпрямитель обратной связи подключен через измерительный импульсный трансформатор к выводам вторичной обмотки, подключенной к выходным

выводам через выпрямитель и LCD-фильтр

ОйЛ

lA

i-i -чll-r-vi -tf/Г1 L..(4fjT 4г-,л

s./

Использование: вторичные источники электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит транзисторную ячейку, систему управления, в которую входит блок формирования импульсов запуска, синхронизированный широтно-импульсный модулятор с двумя управляющими входами, синхронизирующий генератор, управляемый ключевой элемент и блок принудитель- жэгб saWnpaHliWr e fll li и работающие таким образом, что длительность выходного трансформатора при постоянной частоте повторения обратно пропорциональна величине входного нестабилизированного напряжения постоянного тока. Возможность регулирования выходного напряжения обеспечивается тем, что с помощью широтно-импульсного модулятора анализируется амплитуда импульсов на дополнительной обмотке выходного трансформатора, преобразуется в линейно-изменяющееся напряжение и сравнивается с опорным, задаваемым регулируемым источником постоянного напряжения, и в момент их равенства выдается сигнал в блок принудительного запирания, который принудительно запирает силовыё транзмсторы инверторной ячейки и управляемый ключевой элемент до прихода сигнала с блока формирования импульсов запуска. 2 з.п. ф- лы93 ил. Ё

too °;

Ucxi

&

Vjf

)

Vxs У

Л % }

f

i/a, S

&

«Г

Uf

1

to.3