Преобразователь напряжения

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий 2п рекуперирующих диодов и два плеча из п последовательно соединенных транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератора прямоугольных импульсов , выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения и одному 1 входов первого логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ,при этом вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора, первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения, а вторым - с эталонным источником измеряемого напряжения , отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, введены 2п дросселя и последовательный резонансньш LC -контур, подключенный к точке соединения плеч транзисторов, при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча от точки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирующего диода, включенного в направлении протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя , коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры нижнего плеча,кроме последних,подсоеди (П нены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнего плеча и отрицательной полярности для нижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечах соединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов модулятора выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющий вход подключен к выходу датчика тока, соединенного последовательно с нагрузкой , которые подключены параллельно конденсатору LC -контура.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) g 1) Н 02 М 7/537

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3514364/24-07 (22) 24.11.82 (46) 07.05.84. Бюл. 1(17 (72) В.B.Ïîïîâ и В.З.Пацевич (71) Минский радиотехнический институт (53) 621.314.58(088.8) (56) 1. Патент США 1(4158881 кл. Н 02 М 3/335, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

У 577630, кл. Н 02 M 7/537, 1976.

3. Патент США В 4270163, кл. Н 02 M 7/537, 1979. (54) (57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий 2 и рекуперирующих диодов и два плеча из и последовательно соединенных транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения и одному из входов первого логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через. элемент НЕ,при этом вторые входы логичсских элеI ментов И объединены и подключены к выходу компаратора, первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения, а вторым — с эталонным источником измеряемого напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, введены

21) дросселя и последовательный резонансный LC -контур, подключенный к точке соединения плеч транзисторов, при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча от точки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирующего диода, включенного в направлении протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя, коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры ниж- @ . него плеча, кроме последних,подсоединены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнего

Фс плеча и отрицательной полярности для нижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечах соединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов модулятора выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющий

I вход подключен к выходу датчика тока, соединенного последовательно с нагрузкой, которые подключены параллельно конденсатору LC -контура.

Ф 109129

Изобретение отчосится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых преобразователях напряжения и тока, в частности высокОвольтных преобразовате5 лях напряжения.

Известно устройство, содержащее емкостный делитель, полумостовой преобразователь напряжения, два регулирующих диода, трансформатор, выпрямитель и фильтр (1 3

Недостатком данного устройства является пониженный КПД иэ-за наличия динамических потерь при переключении трансфс1рматоров полумостовоl5 го преобразователя напряжения.

Известное также устройство, содержащее цепочку из четырех согласнопоследовательно соединенных транзисторов, четырех диодов, трансформатора и нагрузки 5 2 1

Недостаток указанного устройства обусловлен пониженным КПД из-за наличия динамических потерь при переключении транзисторов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь напряжения, содержащий

211 рекуперирующих диодов и два. плеча .из и последовательно соединенных

30 транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к генерато- 35 ру пилообразного напряжения и одному из входов первого логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ, при этом вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора, первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения, а вторым — с эталонным ис- "5 точником измеряемого напряжения 1.3 j.

Однако известный преобразователь также характеризуется низким КПД, так как транзисторы включаются и выключаются при протекании через них 5" тока.

Цель изобретения — поаьпиение КПД преобразователя путем снижения динамических потерь в транзисторах при переключении. 55

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения, содержащий 21 рекуперирующих

1 2 диодов н два плеча из последовательно соединенных транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератсра прямоугольНЫХ ИМПУЛЬСОВ, ВЫХОД КОТОРОГО ПОДо ключен к генератору пилообразного напряжения и одному из входов первого логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ, при этом вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора,первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения„ а вторым — с эталонным источником измеряемого напряжения, введены 2п дросселя и последовательный резонансный

LC-контур, подключенный к точке соединения плеч транзисторов, при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча от точки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирующего диода, включенного в направлении протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя, коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры нижнего плеча, кроме последних, подсоединены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнего плеча и отрицательной полярности для нижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечах соединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов модулятора выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющий вход подключен к выходу датчика тока, соединенного последовательно с нагрузкой, которые подключены параллельно конденсатору LC -контура.

На фиг.l приведена схема преобразователя напряжения; на фиг.2 — схема блока управления; на фиг.3 и 4— диаграммы работы преобразователя напряжения.

Преобразователь напряжения состоит из 2п согласно-последовательно соединенных транзисторов 1-1 — l-п, 2-1 - 2-0, рекуперирующих диодов

3-1 — З-п, 4-1 — 4-п, 2н индуктив3 10912 ностей 5-1 — 5-п, 6-1 —. б-й, последовательного резонансного LG -конту- ра 7, нагрузки 8, 2 и стабилитронов

9-1 — 9-п, 10-1 — 10-h блока 11 уп- равления и датчика 12 тока. При этом эмиттер транзистора 1-1 соединен с коллектором транзистора 2-1 и входом последовательного резонансного

Я-контура 7, параллельно конденсатору которого подключены последователь->О но соединенные датчик 12 тока и нагрузка 8. Катод диода 3-1 соединен с одним концом индуктивности 5-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-1 и эмиттера транзистора 1-2, а анод диода 3-1 соединен с общей точкой источника питания, причем параллельно индуктивности 5-1 подсоединен стабилитрон, катод которого 1 соединен с катодом диода 3-1. Катод диода 3-2 соединен с одним концом индуктивности 5-2, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-2 и эмиттера транзистора 1-3, а анод диода 3-2 соединен с положительной клеммой источника питания +Е, причем параллельно индуктивности 5-2 подсоединен стабнлитрон, катод которого соединен с катодом диода 3-2. Катод диода 3-г1 соединен с одним концом индуктивиости 5-h-l, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-Ь-1 и эмиттера транзистора 1-п, а анод дио-З5 да,3-п соединен с положительной клеммой источника питания +Е причем параллельно индуктивности

5-й-1 подсоединен стабилитрон 9-h-1

У катод которого соединен с катодом диода З-h, а коллектор транзистора

1-п соединен с одним концом индуктивности 5-й, второй конец которой соединен с положительной клеммой источника питания +Е . Параллельно индук45

tl тивности 5-rl подсоединен стабилитрон

9-п, катод которого соединен с положительной клеммой источника питания

+E>. Анод диода 4- 1 соединен с одним концом индуктивности 6-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 2-2 и эмиттера транзистора 2-1, а катод диода 4-1 соединен с общей точкой источника питания, причем параллельно индуктивности 6-1 подсоединен стабилитрон 10-1, анод которого соединен с анодом диода 4-1. Анод дио91 4 да 4-2 соединен с одним концом индуктивности 6-2, второй конец. которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора. 2-3 и эмнттера транзистора 2-2, а катод диода 4-2 соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е, причем параллельно индуктивности 6-2 подсоединен стабилитрон 10-2, анод которого соединен с анодом диода 4-. 2» Анод диода 4-2 соединен с одним концом индуктивности б-h-l, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 2-о и эмит- . тера транзистора 2-n-l, а катод диода 4-h соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е„ „, причем параллельно нндуктивности

6-й-1 подсоединен стабилитрон

10-о-1,анод которого соединен с анодом диода 4-п, эмиттер транзистора

2-h соединен с одним концом индуктивности б-п, второй конец которой соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е„, причем параллельно индуктивности 6-и подсоединен стабилитрон 10-h, анод которого соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е, причем выходы управления соединены с базами транзисторов.

Блок 11 управления состоит из модулятора 13 и формирователя 14 импульсов, причем модулятор 13 состоит из источника 15 эталонного напряжения, суммирующего усилителя 16, компаратора 17 генератора 18 пилообразного напряжения генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, логической схемы

-HE 20, а также первой 21 и второй

,22 логических схем И. При этом выход источника 15 эталонного напряжения соединен с суммирующим входом суммирующего усилителя 16, вычнтающий вход которого соединен с регулирующим напряжением, выход суммирующего усилителя 16 соединен с первым входом компаратора 17, второй вход которого соединен с выходом генератора 18 пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, входом логической схемы И-НЕ 20 и вторым входом первой логической схемы И 21 ° . Выход компаратора 17 соединен с первыми входами первой 21 и второй 22

109129

3 логических схем И, а второй вход логической схема И 22 соединен с выходом логической схемы И-НЕ 20, причем выходы логических схем И 2! и 22 соединены с входом формирователя 14 импульсов, а вход генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, соединен с выходом датчика 12 тока.

Модулятор работает следующим образом.

Генератор 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты (далее генератор прямоугольных импульсов ) вырабатывает импульсы, по- 15 ступающие на вход генератора 18 пилообразного напряжения. Автоподстройка частоты генератора 19 прямоугольных импульсов предназначена для подстройки частоты генератора под час- О тоту последовательного резонансного

)„С-контура 7. Генератор 18 пилообразного напряжения вырабатывает импульсы пилообразной формы (фиг.36 ) каждые полпериода колебаний, поступающих 5 с генератора 18 прямоугольных импульсов (фиг.3a ) . Выход генератора

18 пилообразного напряжения соединен с одним входом компаратора 17, на второй вход которого поступает на- ЗО пряжение эталонного источника измеряемого напряжения с выхода суммирующего усилителя 16. На суммирующий вход суммирующего усилителя 16 поступает постоянное положительное напря- З5 жение с выхода источника 15 эталонного напряжения, а на вычитающий вход — регулирующее напряжение, величина которого изменяется от нуля до эталонного напряжения. Величина эталонного напряжения выбирается равной максимальной амплитуде размаха пилообразного напряжения. Изме- няя величину входного напряжения, можно изменять величину выходного напряжения на нагрузке 8, при этом обеспечивается прямая пропорциональная зависимость между входным напряжением и напряжением на нагрузке 8.

На выходе суммирующего усилителя

16 образуется напряжение, равное разности эталонного и входного напря" жений, которое поступает на первый вход компаратора 17, на второй вход которого поступает напряжение с выхода генератора 18 пилообразного напряжения. При достижении пилообразным напряжением уровня напряжения на выходе суммирующего усилителя 16 (фиг.Зб ) на выходе компаратора 17 формируется передний фронт импульса (фиг.Зв ), включающего силовые транзисторы, фронт выключения формируется фронтом импульса генератора 19 прямоугольных импульсов. Сформированный таким образом импульс поступает на вход логических схем

И 2! и 22, которые обеспечивают поочередное открывание последовательно соединенных транзисторов, подсо диненных к источнику питания +Е или

tl к источнику питания -Е„. Диаграммы работы модулятора 13 и напряжения на выходе логических элементов И 20 и 21 приведены на фиг ° 3. Импульсы, сформированные модулятором 13,поступают на вход формирователя 14 импульсов, который создает импульсы управления, необходимые для правильной работы силовых транзисторов

1-1 — l-li, 2-1 -2-И. Для этого все транзисторы, начиная с первого и до и -го включаются с задержкой и выключаются с той же задержкой т

3 (фиг.4 ) что обеспечивает постоянным напряжение на закрытых транзисторах, равное 5> ) h где и — число транзисторов. Таким образом, каждый последующий включающий транзистор включается позже на время ТЗ по сравнению с предыдущим; а каждый последующий выключающийся транзистор выключается на время 7 позже предыдущего.

На вход генератора 19 прямоугольных импульсов поступает сигнал с датчика 12 тока, который включен последовательно с нагрузкой 8. Этот сигнал заставляет частоту генератора

19 прямоугольных импульсов изменяться так, чтобы ток нагрузки 8 в момент выключения силового транзистора 1-2 или 2-2 был равен нулю, т.е. осуществляется автоподстройка частоты с точностью до фазы.

Рассмотримработу преобразователя с четырьмя последовательно соединеннымн транзисторами, в случае, когда число источников питания равно двум (+Е. и -Е ), a

Пилообразное напряжение сравнивается компаратором с напряжением на выходе суммирукщего усилителя 16 фиг.Зг ), и при их совпадении образуется фронт импульса, который по109

7 ступает на первые входы логических схем И 21 и 22 и в зависимости от напряжения на вторых входах этих логических схем через формирователь

14 импульсов включает транзистор 1-2, соединенный с положительным источником питания +Е„, либо транзистор

2-2, соединенный с отрицательным источником питания -Е1. Предположим, что включился транзистор 1-2 и одновременно выключился транзистор 2-1 (при этом транзистор 1"1 открыт, а транзистор 2-2 закрыт I. Спад импульса управления формируется фронтом импульса с генератора 19 прямоугольных импульсов. На входе резонансного LC -контура появляется импульс положительной полярности. В следующем такте открывается транзистор 2-2 и одновременно закрывается транзистор 1-1 (при этом транзистор

2-1 открыт, а транзистор 1-2 закрыт и формируется импульс отрицательной полярности. Последовательность положительных и отрицательных импульсов (фиг.3 ) поступает на вход последовательного резонансного 1t:-контура 7,. который выделяет первую гармонику сигнала (фиг. Зд ).

Генератор 19 прямоугольных импульсов изменяет частоту таким образом, чтобы первая гармоника отставала от частоты прямоугольных импульсов, т.е. автоподстройка частоты вносит фазовый сдвиг, который заставляет в установившемся режиме иметь выключение транзисторов 1-2 и 2-2 в момент равенства нулю тока через нагрузку 8. При этом потери при выключении силовых транзисторов 1-2 и 2-2 блиэк к нулю. Введение дополнительных индуктивностей 5-1 -5„, 6-1 — 6-, установленных последовательно в цепи источников питания

+Е „ -+E, -Е 1 - Е1, позволяет снизить потери при включении транзисторов.

Параллельно каждой индуктивности подключены соответственно стабилитроиы 9-1 — 9-й, 10-1 — 10-й, необходиже в первый момент работы преобразователя напряжения дпя ограничения напряжения зкстроЭДС, развиваемой на индуктивности при неточной установке фазы и частоты генератора 19 прямоугольных импульсов. В

1291 8 установившемся режиме надобность в стабилитроне отпадает. В момент включения транзистора 1-2 или 2- 2 все напряжение будет приложено к индуктивности 5-2 или 6-2, а ее сопротивление будет равно г Е

Ъ

В реальных случаях это составляет десятки и сотни килоом, и, следовательно, напряжение на транзисторе в момент его включения будет близким к нулю, а потери при включении минимальными.

Выбор величины индуктивности производится в учетом крутизны фронта.

В реальных транзисторах крутизна фронта составляет примерно 1 мкс.

Приняв величину скорости изменения тока 3 /dt = 10 А/мкс, а напряжение источников питания 2Е1 и +Е. равным 100 В, и с учетом того, что

I„- =U определим величину ин.61 сЯ дуктивностей 5-0, 6-h которая будет равна L, = =10 мкГн.

При выключении транзистора индуктивность постарается поддержать ток через транзистор, т.е. поднять напряжение, но так как скорость изменения тока difdt через индуктивность при наличии последовательного резонансного 1С -контура 7 будет примерно в 20 раз меньше, то и напряжение на выключенном транзисторе увеличится всего лишь на 1/20 часть от исходного. При отсутствии последовательного резонансного 1.С -контура напряжение на закрытом транзисторе возросло бы по меньшей мере в два раза, что привело бы к увеличению потерь и компенсации выигрыша при включении sa счет введения иидуктивности

Таким образом, введение индуктивностей и последовательного резонансного LC -контура приводит к снижению потерь при выключении и включении силовых транзисторов и тем саьым повышает КПД преобразователя напряжения.

1091291

1091291

-n

f-Ë

1:

2-п

+Е е

-Е1

II091291 ибчт

12 игур

1-1

УЗН

2-J

Редактор А. Orap

Заказ 3096/52 Тираж бб7 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 ° Москва, Ж-35, Раушская наб,, д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

ИУК! г-/7 л

egg 4

-Е1

-Ег

Ел //х

ЕСюмю

Составитель И. Никитин

Техред H.Метелева Корректор С.Шекмар