Однофазный преобразователь с многофазной ШИМ Советский патент 1993 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания различного назначения, преимущественно для преобразования постоянного напряжения в высокочастотное, квазисинусоидальное.

Целью изобретения являются повышение качества выходного напряжения за счет снижения его искажений, расширение области использования за счет отказа от применения специального источника со средней точкой, а также расширение функциональных возможностей, за счет обеспечения воз- можностиширотно-импульсного

регулирования выходного напряжения.

Для достижения поставленной цели, предлагаемый однофазный преобразователь с многофазной ШИМ, как и известный, содержит m основных пар последовательно

включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами. Электромагнитный узел преобразователя включает m расположенных на магнитопроводах первичных обмоток, соединенных в m-фазную звезду и подключенных своими концами к точкам соединения упомянутых основных пар ключевых элементов. Блок управления преобразователем включает в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, подключенный парафаэными выходами Vini/Ј к соответствующим входам вышеупомянутых ключевых элементов. Упомянутые сигналы последовательно сдвинуты между собой на несущей или кратной ей частоте ШИМ на угол 2 п /т, где т 2. В

СП

С

со ю со

со

отличие от известного, предложенный преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов, за- шунтированных обратными диодами, точка соединения которых подключена к нулевой точке упомянутой звезды первичных обмоток. Магнитопроводы выполнены магни- тонесвязаннымииснабжены

последовательно соединенными вторичными обмотками, свободные концы которых подключены к выходным выводам преобразователя. Задатчик выходной частоты выполнен с парафазными выходами СИ, СИ, связанными с управляющими входами соответствующих ключевых элементов дополнительной пары.

Вариант выполнения вышеупомянутого многофазного модулятора ширины импульсов содержит m генераторов пилообразного напряжения и компараторов, два делителя частоты, два регистра сдвига на угол 2 л /т, т формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 71 /т на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, содержащий m элементов 2И и элемент m ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигнала выходной частоты и m формирователей противотактных сигналов fy и $, выходные выводы которых использованы как выходы многофазного модулятора ширины импульсов, к входу которого подключены входы делителей частоты, выходами подсоединенные к входам двух упомянутых регистров сдвига на угол 2 я /т, соответствующие выходы первого из которых подключены к входам m генераторов пилообразного напряжения и m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов. Остальные их входы подсоединены к соответствующим выходам второго регистра сдвига на угол 2 я/m. Регистры сдвига выполнены в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЛИ, выходом соединенного с тактовым входом RST триггера с парафазными выходами FI, FI, один из установочных входов каждого из которых соединен с выходом узла синхронизации, в качестве которого использован выход упомянутого элемента m ИЛИ. входы которого соединены с выходами m элементов 2 И, своими входами образующими входы узла синхронизации, подключенные соответственно к входу одного ив т упомянутых элементов 2 ИЛИ. Выход узла синхронизации подклю0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

чен также к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал которого использован как вышеупомянутый задатчик выходной частоты преобразователя. Выходы каждого из m генераторов пилообразного напряжения подключены к одному из входов компараторов с парафазными выходами Si, Si, другие входы которых объединены и подключены к источнику управляющего сигнала. Выходы Si, Si компараторов подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов $ , Ц , к другим входам которых подключены выходы Qi, Cte, бз упомянутого трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты и выходы FI, FI, RST-триггеров. Каждый из m формирователей противотактных сигналов , $ выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением

VI Q2 FI Si + Q3 FI Si + Qi Si,

где i 1,2...m.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения и расширение области использования за счет обеспечения согласования уровней входного и выходного напряжений, а также обеспечения широтно-импульсного регулирования выходного напряжения.

На фиг,1 - принципиальная схема силовой части преобразователя (пример реализации при m 3); на фиг.2 - временные диаграммы сигналов Qi, $1, $г, ij/b и Ф°Р ма выходного напряжения преобразователя при различных значениях угла регулирования: a 0 (а) и a 0 (а, б); на фиг.З - прин- ципиальная схема устройства для управления преобразователем; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования сигналов управления ключевыми элементами преобразователя,

Преобразователь, принципиальная схема силовой части которого представлена на фиг.1. содержит т+1 полумост силовых транзисторных ключей 1-8 (на фиг.1 m 3), зашунтированных диодами 9-16 обратного тока. К точкам соединения m полумостов транзисторных ключей 3-8 подключены m первичных обмоток 17-19 m двухобмоточ- ных трансформаторов 20-22. Свободные концы первичных обмоток 17-19 всех трансформаторов объединены и подключены к точке соединения дополнительных транзисторных ключей 1-2. Вторичные обмотки

20-25 соединены последовательно, согласно и образуют свободными концами выходные выводы преобразователя.

Принципиальная схема блока управления преобразователем приведена на фиг.З. Он содержит задатчик частоты 26. подключенный к входу многофазного модулятора 27 ширины импульсов. Варианты выполнения многофазного модулятора 27 ширины импульсов могут быть различны, но во всех случаях он должен обеспечивать формирование m пар противотэктных сигналов управления $и$, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л 1т (где m 2) на несущей или кратной ей частоте модуляции.

Представленный на фиг.З вариант многофазного модулятора 27 ширины импульсов, при формировании сигналов управления $ и $ ключами 3-8 преобразователя реализует принцип квазиоднопо- лосной модуляции. В его состав входят два делителя частоты 28,29, входы которых объединены и образуют вход многофазного модулятора 27 ширины импульсов. Выходы делителей частоты 28, 29 подключены по входам двух регистров сдвига 30,31 на угол 2 п 1т (для случая m - 3 этот угол равен 2 я/3, при этом регистры сдвига 30,31 могут быть выполнены по кольцевой схеме на трех J-K триггерах 32-34). Выходы qi, cJ2, qa и qi , , qa регистров сдвига 30, 31 подключены к входам m формирователей 35-37 модулированных по длительности импульсных сигналов, сдвинутых между собой на угол 2 я/т на несущей частоте. Каждый из них выполнен в виде пары идентичных формирователей 38, 39 (40-43) узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЛИ 44 (45, 46). Выход последнего подключен к тактовому входу RST-триггера 47 (48, 49). Формирователи 38-43 узких импульсов могут быть выполнены, например, в виде последовательно соединенных элементов НЕ 50 и 2 И 51. Выход элемента НЕ 50 через конденсатор 52 подключен также к общей точке преобразователя, а второй вход элемента 2 И 51 подключен к входу элемента НЕ 50.

Для обеспечения синфазности работы отдельных узлов многофазного модулятора 27 ширины импульсов, он снабжен узлом синхронизации 53. В его состав входят т элементов 2 И 54-56, входами подключенных по входам элементов 2 ИЛИ 44-46, а выходами - к входам элемента ИЛИ 57. Одноименные установочные R и S входы RST- триггеров 47-49 объединены и подключены

к общей точке преобразователя и к выходу узла синхронизации 53, образованному выходом элемента m ИЛИ 57. Выход узла синхронизации 53 подключен также к входу

трехканального регистра 58 сдвига сигналов выходной частоты, выполненного на трех J-K-триггерах 59-61, включенных по пересчетной схеме с перекрестной связью, аналогично регистрам сдвига 30, 31. Выходы одного из последних (обычно, более низкочастотного - на фиг.З это регистр сдвига 31) подключают также к входам m цепочек из последовательно соединенных генератора пилообразного напряжения 62-64 и компаратора 65-67, вторые входы которых объединяют и подключают к источнику управляющего сигнала U а Компараторы 65- 67 выполнены с парафаэными выходами Si,

Si, которые вместе с парафазными выходами Fi, FI формирователей 35-37 модулированных сигналов, сдвинутых между собой на угол In 1т на несущей частоте и выходами Qi, Q2, Qa трехканального регистра 58 сдвига сигналов выходной частоты, подключены к соответствующим входам m формирова лей 68-70 противотактных сигналов $ , $ Связи между входами упомянутых формирователей 68-70 и их выходами обеспечивают

формирование сигналов $ , $ в соответствии с логическим выражением

V, CteFiSi + QaRSi 4- QiSi,

где 1,2,...т.

Для реализации этого логического выражения может быть использовано два элемента 3 И 71, 72 (73-76). один элемент 2 И 77 (78, 79) и один элемент 3 ИЛИ 80 (81, 82). а для получения сигнала $ - элемент НЕ 83 (84, 85). Выходы , rfc . V элементов 3 ИЛИ 80-82, $1 . #2. V элементов НЕ 83- 85, а также выходы Qi, Qi триггера 59 являютея выходами блока управления преобразователем, которые связаны (через блок усиления и гальванической развязки управляющих сигналов, на фиг.1, 3 не показан) с соответствующими управляющими входами

силовых транзисторных ключей 1-8.

Принцип действия преобразователя дополнительно поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.2. Транзисторы 1,2 полумоста преобразователя переключаются по простейшему 180-градусному алгоритму на выходной частоте (см. USQ (Qi) на фиг.2). Остальные транзисторы 3-8 переключаются в противотакте, с коэффициентом заполнения, модулируемым на

выходной частоте по определенному закону (синусоидальному, трапецеидальному и пр.). Импульсные управляющие сигналы Vi V Vm ПРИ этом Д°лжны быть сформированы совпадающими по фазе на выходной частоте и сдвинутыми на угол 2jr/m на несущей частоте модуляции (см. Usa-Ues - $з),2а). В результате, напряжения на первичных обмотках 17-19 трансформаторов 20-22 будут иметь форму сигнала с однополярнойШИМ по выбранному закону. Основные гармоники этих напряжений совпадают по фазе, а некоторые из высших гармоник находятся в противофазе и взаимно компенсируются при последовательном согласном соединении вторичных обмоток 23-25. Для обеспечения широтно- импульсного регулирования (ШИР) выходного напряжения, сигналы $-V дополнительно модулируют по линейному закону, причем введение регулировочных пауз и импульсов осуществляют на несущей частоте модуляции со сдвигом на угол 2 я/т на несущей или кратной ей частоте (см. заштрихованные зоны в сигналах Uea-Ues ( - V-u на фиг.2а). В зависимости от глубины модуляции (относительной величины регулировочном паузы а) форма выходного напряжения изменяется Так при окл/ш, выходное напряжение имеет m ступеней (см. фиг 2а) при л/т, а 2 я/пл-{т-1) ступень (см. фиг.2б)ит.д. При (m --l)jc/m аы- ходное напряжение приобретает одноступенчатую форму с нулевой паузой.

На примере устройства для управления преобразователем приведенного на фиг.З. поясним использование принципа квазиод- нополосной модуляции для формирования сигналов управления $и$ с ШИМ по трапецеидальному закону и многофазного (или многозонного) ШИР. Высокочастотный импульсный сигнал с выхода задатчика частоты 26 поступает на входы двух делителей частоты 28, 29, коэффициенты деления N28, N29 которых выбирают таким образом, чтобы их отношение представлялось отношением двух соседних членов натурального ряда чисел N28/N29 - а/а ± 1, где а - любое целое число (например,.на фиг.4, а 3). Регистры сдвига 30,31. на тактовые входы которых поступают разночастотные последовательности импульсов IJ28, U29, осуществляют их разделение no m каналам, причем каждая последовательность полученных импульсов qi, ф. ф и qi , 0,2 , qa сдвинута относительно других на угол 2 п /т (см.

5

Usi - {qi , , q } на фиг.4) на своей частоте. После выделения импульсов изв U43 синхронных, например, с передним фронтом упомянутых последовательностей

Узо, U31 их складывают попарно с помощью элементов 2 ИЛИ 44-46 и подают на тактовые входы RST-триггеров 47-49, которые изменяют свое состояние с приходом каждого очередного импульса (см. LM (Fi)U49 (Рз) на фиг.4). Для придания определенности состоянию триггеров 47-49, в качестве которых использованы, например, триггеры типа RST, один из установочных входов (на фиг.З S-вход) подключен к выходу узла синхронизации 53. Последний осуществляет попарное сравнение последовательностей разночастотных узких импульсов U38-U43 и выделение последоваQ тельности Us, возникающей при совпадении импульсов только в одном из m формирователей 35-37. Частота последовательности импульсов Us в шесть раз выше выходной частоты преобразователя. В ре5 зультате, каждый из упомянутых RST-триггеров 47-49 будет выставлен в определенное состояние шесть раз за период, что дополнительно повышает надежность работы устройства. Эта же

0 последовательность импульсов Us, поданная на вход трехканального регистра . обеспечивает противотактные переключение трех J-K-триггеров 59-61 с выходной частотой преобразования. Сдвиг по фазе

5 между лэрафазными импульсами Qi, Qi

Оз, Оз составляет 60 эл.градусов (см. Usg (СЬ)-иб1/(Оз)нафиг.4). Как уже указывалось, дополнительные ключи 1-2 переключаются в противофазе, с частотой равной выходной

0 частоте преобразователя. Для этого, на уп- равляющие входы ключей 1,2 подают сигна- лы Qi, 61 (после соответствующего усиления и необходимой гальванической развязки). Сигналы Узо (или U31 - в зависи- мости от того, на какой частоте осуществляется ШИР выходного напряжения) поступают также на входы генераторов пилообразного напряжения 62-64, обеспечи- вающихформированиеm

последовательностей пилообразных сигналов, имеющих одинаковую амплитуду и сдвинутых между собой на угол 2гг /т на несущей частоте модуляции. Эти сигналы

g поступают на один из входов соответствующего компаратора 65-67, на вторые входы которых подают управляющий сигнал (Ja , обеспечивающий изменение относительной длительности сигналов Si-Зз и инверсных им сигналов Si-Зз от 0 до 1.

Формирование сигналов Vi V 2 V . V управления ключами 3-8 производится с помощью формирователей 68- 70 Варианты их исполнения могут быть различны, однако связи между их входами и выходами должны быть такими, чтобы получить последовательности управляющих сигналов, определяемые выражениями

QeFiSi + Q3FiSi + QiSi; на выходе элемента 3 ИЛИ 80:

i Q2FiSi + QaFiSi + QiSi (см. UBO на

фиг.4)

на выходе элемента НЕ 83: сигнал $i; на выходе элемента 3 ИЛИ 81:

V& Q2F2S2 4-Q3F2S2 + QlS2

на выходе элемента НЕ 84: сигнал tyz ; на выходе элемента 3 ИЛИ 82:

V$ 02Рз5з+6зРз5з + С11§з

на выходе элемента НЕ 85: сигнал t/я

Некоторые из промежуточных последовательностей импульсов, полученных при формировг нии сигнала ipi (Ueo) приведены на фиг 4 (см. , U72, Uv).

Разработанный преобразователь с Оло ком управления позволяет осуществлять так называемую многофазную широтно-им- пульсную модуляцию и многофазное широг но-импульсное регулирование выходного напряжения. Особым образом выполненный вариант блока управления и силовой части преобразователя (последовательное соединение вторичных обмоток 23-25 трансформаторов 20-22), обеспечивают взаимную компенсацию (устранение) определенных массивов высших гармоник

Таким образом, преобразователь обеспечивает преобразование постоянного напряженияводнофазноеквазисинусоидальное напряжение, обладающее улучшенным спектральным составом,

При повышенном значении частоты выходного напряжения, преобразователь становится особенно эффективным из-за существенного уменьшения массо-гэбарит- ных показателей, за счет уменьшения соответствующих показателей его выходного фильтра.

5

10

15

0

5

0

0

5 лГ

Q

5

Формула изобретения

1 Однофазный преобразователь с многофазной ШИМ, содержащий m основных пар последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов, за- шунтированных обратными диодами, и электромагнитный узел, включающий m расположенных на магнитопроводах первичных обмоток, соединенных в т-фазную звезду и подключенных своими концами к точкам соединения упомянутых основных пар ключевых элементов, блок управления, включающий в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей крэгной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, подключенный пар афазными выходами р , к соответствующим входам упомянутых ключевых элементом причем сигналы $- последовательно сдвинуты между собой на нес у щеп или кратной ей частоте ШИМ на угол 2 i /m, где т 2, отличающийся геи мо, с целью повышения качества вы- холмэп. апряжепия преобразователя за счв .-,ч, его искажений и расширения ф ,-1 иионольных возможностей за счет i t iHiiH coi/.асования уровней входно- а и ъ лсдчо п напряжения, он снабжен до- полнительнои парой последовательно в О е мьг шинами питания ключе- R... icMe - iot.s Зс1Ш нтированных обратными д1 г томи, гочк соединения которых nj;u л к. чь .а к ну лесой точке упомянутой звозлч г. :рвичных обмоток, упомянутые Мигь.гопроводы выполнены магнитонесвя- зани 4и и снабжены вторичными обмотками, которые между собой последовательно соединены i свободными концами подклю- ченс к выходным выводам преобразователя .г.дзтчик выходной частоты блока упрсп/ спил выполнен с парафазными выхо- Дг, л1 -. Г1 связанными с управляющими в/иа см соответствующих ключевых эле- исполнительной пары

/ Пт обозреватель по п.1 отличаю- щ / . с тем что с целью расширения фу-г .иоиальньх аозможностей за счет обес псче я широтно-импульсного регули- ропамич выходного напряжения, упомянута многофазный модулятор ширины импулисов выполнен содержащим m гене- ратороь пи/1&оГ рззного напряжения и ком- паратс сое дза делителя частоты, два (г сдвигь на .гол 2тг/т т формиро- aaiejias-- - эдулярон нных по длительности .ьсныл сигналов, последовательно

с.дзинутых между собой на угол 2л /т на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, содержащий m элементов 2 И и элемент m ИЛ И, трехфазный регистр сдвига сигнала выходной частоты и m формирова телей противотактных сигналов $ , $ выходные выводы которых использованы как выходы многофазного модулятора ширины импульсов, к входу которого подключены входы делителей частоты, выходами подсоединенные к входам двух упомянутых регистров сдвига на угол 2я/т, соответствующие выходы первого из которых подключены к входам m генераторов пилообразного напряжения и m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л/m на несущей или кратной ей частоте, остальными входами подсоединенных к соответствующим выходам второго регистра сдвига на угол 2 л /т, и выполненных в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом RST-триггеров с пэрафазмыми выходами FI, FI, один из установочных входов каждого из которых соединен о ВЫУСДЗМ узла синхронизации, в качестве которого ис- пользовам выход упомянутого элемента m ИЛИ, входы которого соединены с выходами m элементов 2 И, своими входами образующими входы узла синхронизации, подключенные соответственно к входу одного из m упомянутых элементов 2 ИЛИ, выход узла синхронизации подключен также к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал которого использован как упомянутый за- дагчик выходной частоты преобразователя, выходы каждого из упомянутых m генераторов пилообразного напряжения подключены к одному из входов m компараторов с парафазными выходами Si, Si, другие входы которых объединены и подключены к источнику управляющего сигнала, а выходы Si, Si, 82. 82 подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов Щ , $ , к другим входам которых Q подключены выходы Qi, U2, Оз трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты и выходы FI, FI RST-триггеров, причем каждый из m формирователей противотактных сигналов tjt , ij; выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементе / и формирование этих сигналов и соответствии с логическим выражением

0

5

5

30

/1 -CfczFiSi + CtoFiSi + QiSi, где I 1,2... .т.

Преобразователь содержит m основных пар ключевых элементов (3, 8) и электромагнитный узел, включающий m расположенных на магнитопроводах(20-22) первичных обмоток (17-19), соединенных в звезду. В состав блока управления преобразователем входят задатчик частоты и многофазный модулятор ширины импульсов. Преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов (i. 2). Магниго- проводы (20-22) выполнены магнитонесвя- занными и снабженными вторичными обмотками (23-25). 1 з п ф-лы 4 ил

ft

О

Р/32F/3

Фиг.1

иг

Фиг, 3

U3,

Un

I;

U33 U

Uu Ux U

41

40 HZ 44

Ц U

Us

uM

Unfi USB® Ueo& U&№ Ussfa) Ujt

U72

u,,

им

Щ (Ю