Преобразователь с многофазной широтноимпульсной модуляцией Советский патент 1993 года по МПК H02M7/48 

с выводом от средней точки источника питания, либо с емкостным делителем напряжения, точка соединения входных конденсаторов которого образует искусственный вывод среднего потенциала источника питания. Преобразователь содержит m пар последовательно включенных между шинами источника питания ключей, зашунтированных обратными диодами. Средние точки m пар ключей подключены к m обмоткам, расположенным на стержнях т-стерж- невого магнитопровода, свободные концы которых объединены и образуют второй вывод преобразователя. Ключи каждой стойки переключаются в противотакте в соответствии с сигналами $ и $ по закону двухполяр- ной широтно-импульсной модуляции. Для реализации такого закона коммутации преобразователь должен быть снабжен блоком управления, включающим задатчик выходной частоты, а также задатчик Hecyaieu или кратной ей частоты и модулятор ширины импульсов, формирующий m пар сигналов управления $ и $. Упомянутые сигналы формируют сдвинутыми между собой на несущей частоте ШИМ на угол 2 л/т.

Недостатками такого преобразователя являются сравнительно невысокое качество выходного напряжения, определяемое используемым здесь способом двухполярной ШИМ, а также некоторая сложность применения преобразователя, обусловленная необходимостью использовать специальный источник питания со средней точкой или возникающее ухудшение массо-габаритных показателей из-за на личия двух входных электролитических конденсаторов, рассчитанных на полный ток преобразователя.

Цель изобретения - повышение качества выходного напряжения за счет снижения его искажений и расширение области использования преобразователя за счет отказа от применения специального источника питания со средней точкой. -. Для достижения поставленной цели предлагаемый преобразователь, как и известный, выполнен содержащим m основных пар последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов (полумостов), зашунтированных обратными диодами. Точки соединения всех m пар ключевых элементов через m обмоток, расположенных на стержнях т-стержневого магнитопровода, подключены к одному выходному выводу преобразователя. Блок управления ключами включает в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ей частоты и.

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

многофазный модулятор ширины импульсов, выходами подключенный к управляющим входам соответствующих ключевых элементов и обеспечивающий формиров§- ние m пар противотактных сигналов fy и 1/1 последовательно сдвинутых между собой на несущей частоте широтно-импульсной модуляций на угол 2 л/m, где т 2, В отличие от известного предложенный преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания и зашунтированных обратными диодами ключей, точка соединения которых образует второй выходной вывод преобразователя. Задатчик выходной частоты преобразователя выполнен с парафазными выходами Q, Q, которые связаны с управляющими входами соответствующих ключей дополнительной пары. ..

Один из возможных вариантов выполнения вышеупомянутого многофазного модулятора ширины импульсов содержит два делителя частоты с коэффициентами деления, отличающимися на единицу, два регистра сдвига на угол 2 да т, т формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2л/m на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, выполненный содержащим . m элементов 2И и элемент m ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигналов выходной частоты и лп формирователей противотактных сигналов ул и /, выходными выводами образующих выходы многофазного модулятора ширины импульсов. Вход модулятора ширины импульсов образован объединенными между/собой входами делителей частоты, а их выходы подключены к входам упомянутых регистров сдвига на угол 2 л/т, пара- фазные выходы которых подключены попарно к входам m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л/m на несущей или кратной ей частоте. В состав такого формирователя входят два формирователя узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2И/Ш, выход которого соединен с тактовым входом RSJ-триггера с парафазными выходами FI, FJ. Ко входам каждого элемента 2ИЛИ подключены также входы одного из m элементов 2И узла синхронизации, выходами соединенных с входами элемента m ИЛИ, выход которого подключен к одному из установочных входов RST-триггеров и входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты. Его первый канал с выходами Qi, Qi,

использован как задатчик выходной частоты, а выходы Q2 и Оз второго и третьего каналов этого регистра и выходы FI, FI RST- триггеров подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов $, $. Каждый из них выполнен таким образом, что внутренние связи обеспечивают формирование этих сигналов в соответствии ло ческим выражением:

$ Q2 Fi + Q3 Fi.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема силовой части преобразователя (пример реализации при m 2); на фиг. 2 - принципиальная схема устройства для его управления; на фиг. 3 -- временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства для управления преобразователем и форму выходного напряжения.

Преобразователь, принципиальная схема силовой части которого представлена на фиг. 1, содержит т+1 лолумост .силовых транзисторных ключей 1-6 (на фиг. 1 ), зашунтированных обратными диодами 7- 12. Точка соединения дополнительных транзисторных ключей 1-2 образует первый выходной вывод 13 преобразователя, а точки соединения транзисторных ключей 3, А и 5, 6 остальных полумостов подключены к m обмоткам 14, 15, расположенным на стержнях m-стержневого магнитопровода. Обмотки. 14, 15 включены между собой встречно и образуют точкой соединения второй выходной вывод 16 преобразователя. Блок управления преобразователем представлен на фиг. 2. Он содержит задатчик частоты 17, подключенный к входу многофазного модулятора 18 ширины импульсов. Варианты выполнения многофазного модулятора 18 могут быть различны, но во всех случаях он должен обеспечивать формирование m пар сигналов управления $ и $. последовательно сдвинутых между собой на угол 2 nlm (где m 2) на несущей частоте модуляции. При реализации вертикального принципа формиррвания управляющих сиг- , подобный модулятор 18 содержит, например, m генераторов пилообразного напряжения (выходные сигналы которых сдвинуты между собой на вышеуказанный угол) и генератор модулирующего напряжения заданной формы. После сравнения при помощи m компараторов этих сигналов на выходах многофазного модулятора 19 будут сформированы m противотактных пар сигналов управления с ШИМ.

Вариант многофазного модулятора 18, приведенный на фиг.2. реализует при формировании сигналов управления ключами 3-6 преобразователя принцип квазиоднополосной модуляции. В его состав входят два делителя частоты 19, 20, коэффициенты деления которых отличаются на единицу. Выходы делителей частоты 19,20 подключены ко входам двух регистров сдвига 21, 22 на угол 2 л/m (для случая т 2 этот угол равен ж, при этом регистры сдвига 21, 22 могут быть выполнены в виде Т-триггера, работающего в счетном режиме). Парафазные выходы регистров сдвига 21,22 подключены к входам m формирователей 23, 24 модулированных по длительности импульсных сигналов, сдвинутых на угол 2 я/m на несущей частоте. Каждый из них выполнен

в виде двух формирователей 25, 26 и 27, 28 узких импульсов, выходы которых подключены к входам элемента 2ИЛИ 29 (30), выходом подключенного к тактовому входу RST-триггера 31 (32). Формирователи 25-28

узких импульсов могут быть выполнены, например, в виде последовательно соединенных элементов НЕ 33 и 2V 34. Выход элемента НЕ 33 через конденсатор 35 подключен также к общей точке преобразователя, а второй вход элемента 2И 34 - к входу элемента НЕ 33. Входы элементов 2 ИЛИ 29. 30, подключены также к входам узла синхронизации 36, образованным входами m элементов 2И 37, 38, выходы которых подключёны к входам элемента m ИЛИ 39. Одноименные установочные R- и S-входы всех RST-триггеров 31, 32 объединены и подключены к общей точке преобразователя и к выходу узла синхронизации 36. Выход узла

синхронизации 36 подключен также к входу трехканального регистра 40 сдвига сигналов выходной частоты, выполненного на трех IK-триггерах 41-43, включенных по схеме с перекрестной связью. Первый канал

трехканального регистра 40 с выходами Он и О.Гиспользован как задатчик выходной частоты. Эти выходы связаны через усилительно-развязывающее устройство (на фиг.

1. 2 не показано) с управляющими входами дополнительных транзисторных ключей 1,

2. Парафазные выходы FI, Fi и F2. F2 RST- триггеров 35, 36, а также выходы 02 и Оз 1К-триггеров 42.43 подключены к соответствующим входам формирователей 44,45 противотактных сигналов $ и $, которые выполнены в виде элементов 2И-2ИЛИ 46, 47 и НЕ 48, 49. Связи между входами этих элементов и выходами триггеров 31,32 и 42, 43 обеспечивают формирование сигналов

в соответствии с логическим выражением:

ф 0.2 Р + 07зР|.

Отметим, что в общем случае выполнение формирователей 44, 45 может быть раз- личным. Так, комбинация из шести

элементов 2И-НЕ позволит сформировать аналогичные управляющие сигналы $ и $, определяемые, например, выражением:

$ +

Нетрудно показать, что, используя известные принципы минимизации логических операций, его можно привести к вышеприведенному первому логическому выражению. Несмотря на относительно большую сложность второго логического выражения и соответственно большое число элементов, необходимых для его реализации, а практических случаях оно может оказаться эффективнее, так как принципи- а л ьно устраняет возможные кратковременные коммутации силовых ключей 3-6 на интервалах л/3 - 2я/3 их проводимости, обусловленные неидеальностью фронтов импульсов FI и Ft. ,. r v

Рассмотрим принцип действия преобразователя. Дополнительные транзисторы 1, 2 полумоста преобразователя переключаются по простейшему 180-градусному алгоритму на выходной частоте с коэффициентом заполнения 0,5. Транзисторы 3, 4 и 5, б переключаются в противотакте с коэффициентом заполнения, модулируемым на выходной частоте по определенному закону (синусоидаль- ному, трапецеидальному и пр.). Импульсные управляющие сигналы и 2 при этом должны быть сформированы совпадающими по фазе на выходной частоте и сдвинутыми на угол 2 nlrn на несущей частоте модуляции, В результате напряжения между точками соединения транзисторов 1,2 и 3,4, а также 1, 2 и 5, 6 будут иметь форму сигналов с однополярной ШИМ по выбранному Закону. Основные гармоники этих напряжений совпадают по фазе, а некоторые из высших находятся в противофазе. При подаче этих напряжений на включенные между собой встречно обмотки 14,15 указанные высшие гармоники будут взаимно компенсироваться. Отметим, что Трансформатор должен быть рассчитан не на выходную частоту преобразования, а на ближайшие высшие гармоники в каналах преобразователя, наводящиеся в противофазе. Таким образом, его габариты оказываются существен- но меньше габаритов трансформатора, работающего на выходной частоте. Как уже отмечалось, принцйп формировэния управ- ля ющих сигналов $, $ ключами 3-7 преобразователя может быть различным.

На примере устройства; приведённого на фиг, 2, поясним использование принципа квазиоднополосной модуляции для формирования сигналов управления $. т/Л по трапецеидальному закону. Принцип действия этого устройства дополнительно поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 3. Задатчик частоты 17 осуществляет синхронизацию работы отдельных узлов устройства. Импульсный сигнал Ui7 (см.фиг.З) поступает на входы двух делителей.чаетоты 19,20, коэффициенты деления Nig, N20 которых отличаются на единицу (на фиг.З временные диаграммы соответствуют случаю N19 3, N20 4). На выходах формирователей 25-28 узких импульсов будут сформированы импульсные сигналы вида Uzs - Ifes равных частот, сдвинутые по фазе на угол л:относительно друг друга. Для этого формирователи 25-28 узких импульсов осуществляют формирование Сигналов по переднему и заднему фронтам сигналов 1)21 и 1)22 с выходов Т- триггеров 21 и 22. Полученные импульсные последовательности попарно складывают при помощи элементов 2ИЛИ 29, 30 и сравнивают при помощи элементов 2И 37, 38. Последовательности импульсов U29, изо поступают на тактовые входы RST-триггеров 31, 32, которые изменяют свое состояние с приходом каждого очередного импульса. Для придания определенности состоянию RST-триггеров 31, 32, один из установочных входов (на фиг. 2 - S-вход) подключен к выходу узла синхронизации 36.

В результате каждый из указанных RST- триггеров 31, 32 будет выставлен в нулевое состояние с приходом очередного импульса последовательности Use. На выходах этих триггеров 31, 32 будет сформированы пара- фазные последовательности FI, Fi. Fa, F2, модулированных по длительности импульсов (см. 11з1, U32 на фиг.З). Последовательность импульсов Озб с выхода узла синхронизации 36 поступает также на вход трехканального регистра 40, обеспечивая противотактные переключения IK-триггеров 41-43 с выходной частотой преобразования. Сдвиг между парафазными импульсами Qi, Qi...Q3,Q3составляет при этом 60 эл.градусов (см. U/л - Шз на фиг. 3). Как уже указывалось. Дополнительные ключи 1, 2 должньг переключаться в противофазе, с частотой равной выходной частотеjnpeo6pa- зователя. Для этого сигналы Qi, Qi после усиления и обеспечения необходимой гальванической развязки, подают на управляющие Входы дополнительных ключей 1, 2. Формирование сигналов ,Vi; t/te- $2 управления ключами 3-6 производится при помощи формирователей 44, 45.

Варианты выполнения формирователей 44. 45 могут быть различны. На фиг. 2 приведен вариант, выполненный на элементах 2И и 2ИЛИ 46, 47 и НЕ 48,49. Связи между их входами и выходами Q2 Оз трехканальио- го регистра 40 и выходами Fi, -Fi; F2, Fa RST-триггеров 31, 32 выполнены таким образом, что на входах формирователей 44, 45 импульсов управления будут получены последовательности управляющих сигналов, определяемые выражениями:

- на выходе элемента 2И-2ИЛИ 46 - -. t/M Qa Fi + FiQa, (см. 1)46 на фиг.З);

- соответственно, на выходе элемента НЕ 48 - сигнала ipi

- на выхрде элемента 2И-2ИЛИ 37 1/5 Qi Fa + Qa F2 (см. U47 на фиг.3)

и на выходе элемента НЕ 49 - сигнал 1/5.

Разработанный блокуправления преобразователем позволил осуществить формирование синфазных (по основной гармонике выходного напряжения) сигналов управления ty, Y-5 и 1/м, ijfi ключами З-б преобразователя, но сдвинутых по фазе на несущей частоте ШИМ на угол 2 л/т. Встречное включение обмоток 14, 15, расположенных на разных стержнях общего магнитопрово- да, обеспечивает взаимную компенсацию определенных массивов высших гармоник выходных напряжений каналов преобразователя (между точкой 13 и точками соединения ключей 3, 4 и 5, 6 соответственно).

Предложенный преобразователь с многофазной ШИМ может найти применение при создании централизованных источников вторичного электропитания, обладающих улучшенным качеством преобразованной электроэнергии. Уменьшение массо-габарит- ных показателей устройства за счет уменьшения соответствующих показателей его выходного фильтра позволяет использовать преобразователь в системах электроснабжения, например, автономных объектов различного назначения.

Формулаизобретения 1. Преобразователь с многофазной ши- ротно-импульсной модуляцией (ШИМ), содержащий m основных пар последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами, причем точки соединения ключевых элементов пар через m обмоток, расположенных на стержнях т-стержневого магнитопровода, подключены к одному выходному выводу преобразователя, а также блок управления ключами, включающий в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ее частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, выходами подключенный к управляющим входам соответствующих ключевых элементов и обеспечивающий формирование m пар противотактных сигналов $, $, последовательно сдвинутых между собой на несущей или кратной ей частоте ШИМ на угол 2 л/т, где m 2, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения за счет снижения его искажений и расширения области использования за счет отказа от применения специального источника питания со средней точкой, он снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания и

зашунтированных обратными диодами ключей, точка соединения которых образует второй выходной вывод преобразователя, а задатчик выходной частоты преобразователя выполнен с парафазными выходами Qi и

Qi, которые связаны с управляющими входами соответствующих ; ключей дополнительной пары.

2. Преобразователь по п. 1, от л и ч а ю- щ и и с я тем, что, многофазный модулятор

ширины импульсов выполнен содержащим два делителя частоты с коэффициентами деления, отличающимися на единицу, два регистра сдвига на угол 2 л 1т, т формирователей мо- дулированных по длительности импульсных

сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л/т на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, выполненный содержащим m элементов 2И и элемент m ИЛИ, трехфазный регистр

сдвига сигналов выходной частоты и m формирователей противотактных сигналов $ и щ, выходными выводами образующих выходы многофазного модулятора ширины им- пульсов, вход которого образован

объединенными между собой входами, делителей частоты, выход которых подсоединены к входам упомянутых регистров сдвига на угол 2 л/т, их парафазные выходы подключены попарно к входам m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л/т на несущей или кратной ей частоте, каждый из которых выполнен в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом RST- триггера с парафазными выходами Fi, FI, к входам каждого из элементов 2ИЛИ подсоединены входы одного из элементов 2V1 узла синхронизации, которые своими выходами подключены к входам элемента m ИЛИ, выход которого подсоединен к одному из установочных входов упомянутых RST-триггеров и

к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходно й частоты, первый канал с выходами QI и Qi которого использован как задатчик выходной частоты преобразреате- ля, а .выходы-Q2 и Оз второго и третьего каналов этого регистра и выходы,F|, FI RST- триггеров подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных

сигналовfy,fy, каждый из которых выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением

$ Q2R + ОзР|.