Однотактный преобразователь переменного напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике. Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия за счет уменыиеш-1я динамических потерь в ключах демодулятора . Устройство содержз1т преобразовательные ячейки 1, 2, каждая из которых содержит мостовой инвертор 3, с первичной обмоткой 15 трансформатора , включенной в его диагональ. Вторичная обмотка 18 трансформатора подключена к демодулятору 12. Регулирование напряжения осупествляется изменением относительного времени и направления включения вторичной об5 сл

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1467705 А1

1511 4 H 02 М 5/257

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY CBMQETEJlbCTB Y

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4300569/24-07 (22) 31.08.87 (46) 23.03.89. Бюл. Р 11 (71) Научно †исследовательск институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) А.В. Кобзев, В.:1. Семенов, А,В. Пивнев, H.М. Музыченко, В.С. Мишуров и Г.Я. Михальченко (53) 621 ° 314.2 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 942237, кл. Н 02 Р 13/16, кл. G 05 F 01/16, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1410234, кл. Н 02 М 5/257, 1986. (54) ОЛНОТАКТНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕДБ ПЕРЕМЕННОГО НАП1 ЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике. Цель изобретения — повышение коэффициента полезного действия за счет уменьшения динамических потерь в ключах дсмодулятора. Устройство содерм т преобразовательные ячейки 1, 2, каждая из которых с одеряа т мостовой инвертор

3, с первичной обмоткой 15 трансформатора, включенной в его диагональ.

Вторичная обмотка 18 трансформатора подключена к демодулятору 12. Регулирование напряжения осушествляется изменением относительного времени и направления включения вторичной обмотки 18 между входным выводом 24 и выходным выводом 28. Работа устройства осуществляется по двухтактному циклу. В каждый такт в силовую цепь подключается обмотка трансформатора одной из преобразовательных ячеек

1,2, трансформатор другой преобра1467705 зовательной ячейки в это время размагничивается. В предложенном устройстве обеспечивается гарантированная длительность размагничивания, за счет чего достигается поставленная цель. 1 табл. 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в системах электропитания аппаратуры средств связи, измерительной и вычислительной техники. 5

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия за счет уменьшения динамических потерь в ключах демодулятора, На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 и 3— временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, Функциональная схема содержит пре. образовательные ячейки 1 и 2, каждая 15 из которых состоит из мостового инвертора 3 с основными ключами 4 и 5 переменного тока и размагничивающими ключами 6 и 7, выполненными в виде встречно включенных транзисторов 8 и 9 с обратными диодами 10 и 11, демодулятора 12 на ключах 13 и 14 переменного тока и трансформатора повышенной частоты, первичная обмотка 15 которого подключена к выходным выводам 16 и 17 мостового ин.вертора, 3, а вторичная обмотка 18 к входным выводам 19 и 20 демодулятора 1Й. При этом входные выводы 21 и 22 инверторов 3 обоих ячеек 1 и 2 объединены и образуют входные выводы

23 и 24 устройства. Выходные выводы

25 и 26 демодуляторов 12 преобразовательных ячеек 1 и 2 также объединены и образуют выходные выводы 27 35 и 28 преобразовательных ячеек 1 и 2.

Выходной вывод 27 соединен с входным выводом 23, а выходной вывод 28— с первым входным выводом 29 выходного фильтра 30, второй вывод которого 40 соединен с выводом 24. Управляющие входы ключей 4-7, мостового инвертора 3 и ключей 13 и 14 демодулятора

12 преобразовательных ячеек 1 и 2

2 подключены соответственно к выходам

31-36 двух распределителей 37 и 38 импульсов, информационный вход 39 которых соединен с информационным выходом 40 блока 41 управления, а их адресные входы 42 и 43 — с си нхр ониэирующими выходами 44-46 блока 41.

Блок 41 состоит иэ входного вывода

47 последовательно включенных задающего генератора 48, генератора 49 пилообразного напряжения, амплитудного детектора 50, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 51, соединенного с инвертирующим входом второго компаратора 52, выход которого соединен с одним входом логического элемента 53 И-НЕ 2, выход которого образует информационный выход 40 блока 41 управления. К другому входу логического элемента 53 подключен выход компаратора 54, неинвертирующий вход которого объединен с инвертир ующнм входом диффер е нциаль ного усилителя 51 и образует управляющий вход 55 однотактного преобразователя переменного напряжения. Инвертирующий вход компаратора 54 объединен с неинвертирующим входом компаратора 52 и подключен к выходу генератора 49.

Синхронизирующие входы 44-46 блока

41 образованы соответственно прямым и инверсным выходами Т вЂ” триггера 56 и выходом блока 57 контроля полярности, вход которого подключен к входным выводам 23 и 24, а его выход 46 к адресным входам 43 распределителей 37 и 38. При этом прямой выход

44 Т-триггера 56 соединен с адресным входом 42 распределителя 37, а его инверсный выход 45 с адресным входом 42 распределителя 38. Вход Ттриггера 56 подключен к выходу задающего генератора 48. Инвертирующий

1467705

Выходи

Адресные входы

42 43

1 1

О 1

1 0

О 0

1 1. О 1

1 О

О 0

35 36 х х

0 0 40 х х

0 0 х х

О 0

0 0 45

32 33 34 х О 0

0 О 1 х 0 0

О 1 О

О х х

1 О 0

0 х х

0 О 0

59

1

1

О

О

О

31 х

0 х

О

О

На фиг.2 приняты следующие обозначения: напряжение 64 сети, сигнал

65 на выходе узла 57 контроля полярности; сигнал 66 на выходе генератора 49 пилообразного напряжения.;сигнал 67 управления на управляющем входе 55; сигнал 68 на выходе дифференциального усилителя 51; сигнал 69 на выходе первого компаратора 54; сигнал 70 (х) на выходе логического элемента 54; сигнал 71 на выходе компаратора 52; сигнал 72 на выходе вход компаратора 58 подключен к Bbt ходу амплитудного детектора 50, неинвертирующий — к управляющему входу 55, а его выход подключен к дополнительному адресному входу 59 распределителей 37 и 38. Каждый из основных ключей 4 и 5 инверторов 3 выполнен в виде встречно включенных транзисторов 60 и 61 с обратными диодами 62 и 63, выходные выводы

25 и 26 каждого из демодуляторов 12 образованы клеммами одного из ключей

14, при этом выходы 31 и 32 каждого из распределителей 37 и 38 импульсов соединены с управляющими входами транзисторов 60 и 61 основных ключей 5 и 4, проводящих ток положительного и отрицательного направлений соответственно выходы 33 и 34 с управляющими входами транзисторов

8 и 9 размагничивающих ключей 6 и 7, проводящих ток положительного и отрицательного направлений соответственно выход 35 — с управляющим вхо- 25 дом ключа 13, включенного последовательно с вторичной обмоткой 18, а ,выход 36 — с управляющим входом ключа 14, образующего выходные выводы 26 и 25 демодулятора 12. Каждый из распределителей 37 и 38 выполнен в виде логического блока, реализующего следующую таблицу истинности. компаратора 58; сигнал 73 на р выходе блока 41 Т-триггера 56 i напряжение 74 на входе вывода 29 выходного фильтра ЗО, На фиг.3 обозначены: сигналы 75 и 76 на управляющих входах транзисторов 60 и 61 сигналы 77 и 78 на управляющих входах транзисторов 8 и

9 сигналы 79 и 80 на управляющих входах ключей 14 и 13; сигналы 81 и

82 на управляющих входах транэисторов 60 и 61; сигналы 83 и 84 на управляющих входах транзисторов 8 и

9; сигналы 85 и 86 на управляющих входах ключей 14 и 13.

Устройство работает следующим образом.

Переменное напряжение 64 сети с входных выводов 23 и 24 поступает на входные выводы 21 и 22 мостовых инверторов 3 преобразовательных ячеек 1 и 2 и на блок 57 контроля полярности, который при этом выдает сигнал 65, Управление ключами 4-7, 13 и 14 преобразовательных ячеек

1 и 2 осуществляется сигналом с выхода 40 блока 41 управления через распределители 37 и 38 импульсов с адресными входами 42, 43 и 59. Прямоугольные импульсы малой длительности (порядка одной микросекунды) с промежуточной частотой поступают с выхода задающего генератора 48 на синхронизирующий вход генератора 49 пилообразного напряжения, с выхода которого напряжение поступает на объединенные входы компараторов 54 и 52. Одновременно на инвертирующий вход первого компаратора 54 поступает сигнал 67 с управляющего входа

55. На выходе компаратора 54 формируется сигнал 69. На второй инвертирующий вход второго компратора 52 поступает сигнал 68 с выхода дифференциального усилителя 51, равный разности между сигналом 67 с управляющего входа 55 и постоянным сигналом с выхода амплитудного детектора

50, равным амплитуде пилообразного напряжения. На выходе компаратора

52 формируется сигнал 71, который вместе с сигналом 69 поступает на

1 входы логического элемента 53 И-НЕ 2, на выходе которого формируется сигнал 70 для управления ключами 4-7, 13. и 14. Этот сигнал 70 поступает на информационный вход 39 распредели телей 37 и 38 импульсов. Преобразова1467705 6 входные выводы. 23 и 24, транзистор

9 и диод 10, вывод 16 первичной обмотки 15, осуществляется размагни5 чивание силового трансформатора преобразовательной ячейки 1. При отрицательной полярности напряжения 64 на полупериоде размагничивания включены только транзисторы 8. Возврат индуктивного тока намагничивания происходит по контуру вывод 16,транзистор 8 и диод 11, входные выводы

24 и 23, транзистор 8 и диод 11, вывод 17. Трансформатор преобразовательной ячейки 1 размагничивается, При уменьшении тока намагничивания

35 тельные ячейки 1 и 2 работают по очереди так, что на нечетных полупериодах сигнала 73, когда он равен ло гической единице, работает преобразовательная ячейка 1, а на четных, когда сигнал 73 равен логическому нулю, работает преобразовательная ,ячейка 2. Соответственно трансформатор преобразовательной ячейки I на нечетных полупериодах намагничивается, а на четных — размагничивается, а у ячейки 2 наоборот нечетные полупериоды (единицы сигнала 73) являются размагничивающими, а четные (нули сигнала 73) — намагничивающими. Такая поочередная работа преобразовательных ячеек 1 и 2 достигается за счет того, что на адресный вход 42 распределителя 37 импульсов преобразовательной ячейки 1 подается сигнал 73 с прямого входа Т-триггера 56, в то время как на первый адресный вход 42 распределителя 38 преобразовательной ячейки 2 подается сигнал с инверсного выхода Т-триггера 56. Преобразовательные ячейки

1 и 2 работают одинаково только со сдвигом во времени на полупериод сигнала повышенной частоты, поэтому 0 работа преобразовательных ячеек рассматривается на примере ячейки 1.

В зависимости от величины сигнала

67 управления на управляющем входе

55 наблюдается пять режимов работы последнего.

Если сигнал 67 меньше нуля (интервал времени 0-t<) — на блюдается режим максимальной вольтоотбавки,Навход .39 распределителей 37 и 38 пос40 тупает сигнал 70, равный логической единице. На рабочем полупериоде од.новременно замкнуты транзисторы 60 и 61 ключей 4 и 5 инвертора 3 и ключ

13 емо лято а 12 на наг зке ейд ду ру д 42. ствует напряжение U ьььм = U - Uc — „ потому что вторичная обмотка 18 включена встречно по отношению к напряжению сети. Здесь U — напряжение я0 сети, V2, М2" число витков первичной обмотки 15 и вторичной обмотки

18. На полупериоде размагничивания при положительной полярности напряжения 64 включены только транзисторы

9 инвертора 3, происходит возврат индуктивного тока намагничивания в сеть по контуру: вывод 17 первичной обмотки 15, транзистор 9 и диод 10, до нуля диоды 10 и 11 выключаются, и процесс размагничивания заканчивается. На нагрузке в зто время действует напряжение преобразовательной ячейки 2, так как оба ключа 13 и 14 демодулятора 12 выключены.

При изменении сигнала 67 управления в пределах 0 < U> < U где

U„- амплитуда сигнала 66 (интервал времени t,-t <), на вход 39 распределителей 37 и 38 поступает сигнал

70, который в пределах одного полупериода повышенной частоты равен и нулю и единице. В этом случае наблюдается режим регулируемой вальтоотбавки. На рабочей части полупериода, когда сигнал 70 равен нулю,включен ключ 14 демодулятора 12, на нагрузке действует напряжение, равное напряжению сети, так как все остальные ключи преобразовательной ячейки 1 выключены. На рабочей части полупериода, где сигнал 70 равен единице, включены транзисторы 60 и

61 и ключ 13. На нагрузке действует

" 2 напряжение, равное U ьь,х = U Uñ —, 1

Среднее значение напряжения на нагрузке за полупериод равно 2 ЪЫх сР «P «P у

7 где U c cp — напряжение сети среднее эа полупериод; у, — относительная длительность 1 „, импульса (единицы) в сигнале 70 на полупериоде, Т, т; =

= t и,/Т. Относительная длительность

, импульса изменяется от 1 до 0 при изменении И у от 0 до U„.

При U y = Uq (интервал времени и у-t ç) наблюдается режим неискаженной передачи напряжения 64 сети на

146 7705

1О

20

30

35 Формула и з обретения

40 где — относительная длительность

t (единицы) в сигнале 70 на полуи< пеРиоде Т, gz= t na/Ò, ОтносительнаЯ 45 длительность импульса изменяется

07 от 0 до 1 при изменении U q от U q до 2U„. При U y > 2Б„наблюдается режим максимальной вольтодобавки. На рабочем полупериоде замкнуты постоянно транзисторы 8 и 9 ключей 6 и 7 и ключ 13 демодулятора 12. На полупе риоде размагничивания при положительной полярности напряжения 64 вклв. чены транзисторы 61 ключей 4 и 5,а при отрицательной — транзисторы 60.

Реверс вольтодобавочного напряжения относительно напряжения 64 сети однозначно определяется величиной нагрузку, у, = 0 и напряжение на нагрузке, равное U и „cp = Бсср На входе 39 распределителей 37 и 38 действует сигнал 70, равный логическому нулю. На рабочем полупериоде все время замкнут ключ 14 демодулятора

12, преобразовательные ячейки 1 и 2 все время отключены от сети. На полупериоде .размагничивания все происходит так же как и ранее. При дальнейшем увеличении сигнала 67 и его изменении в пределах U „ U y 2U и (интервал времени -t4) на входе 39 распределителей 37 и 38 действует сигнал .70, принимающий значение и 1, и 0 на каждом полупериоде сигнала повышенной частоты. При этом на части рабочего полупериода, где сигнал 70 принимает значение 1 замкнуты транзисторы 8 и 9 и ключ 1.3 демодулятора

12. На нагрузке действует напряжение, равное сумме напряжения 64 сети и напряжения на вторичной обмотке 18 трансформатора пр еобра зоват ель ной ячейки 1, т. е. потому что напряжение вторичной обмотки 18 включено согласно с напряжением сети. На части полупериода, где сигнал 70 равен нулю, включен ключ 14 демодулятора 12, на нагрузке действует напряжение сети, так как все ключи преобразовательной ячейки 1 выключены. Среднее значение напряжения на нагрузке равно

Бвых ср Бс р сигнала 67 управления и режимом работы распределителей 37 и 38 импульсов. Так при сигнале на адресном входе 59 (режим вольтодобавки) сигнал 70 проходит на выход 31 и 32 и на выход 35. Сигнал размаrничивания (это сигнал инверсный сигналу 73) поступает при положительной полярности напряжения 64 на выход 34, а при отрицательной полярности на выход 33. Сигнал 70 на рабочих полупериодах поступает на выход 36.

Режим неискаженной передачи достигается включением ключа 14, демо дулятора 12, при этом ключ 13 разомкнут и таким образом предотвращается разряд собственной емкости обмотки через закороченный трансформатор,чем исключаются динамические потери и повышается коэффициент полезного действия.

Дополнительным положительным свойством предлагаемого однотактного преобразователя переменного напряжения является повышение эксплуатационной надежности работы из-за гарантированной длительности размагничивания, что позволяет изменять управляющий сигнал практически с неограниченной скоростью. Это приводит к увеличению быстродействия регулирования и стабили зации .

Однотактный преобразователь переменного напряжения, содержащий две преобразовательные ячейки, каждая из которых состоит из мостового инвертора с двумя основными ключами и двумя размагничивающкми ключами, выполненными в виде встречно включенных транзисторов с обратными диодами демодулятора на ключах, причем все ключи выполнены двунаправленными полностью управляемыми, и трансформатора повышенной частоты, первичная обмотка которого подключена к выходу инвертора, а вторичная — к входу де-. модулятора, при этом входы инверторов соединены с входными выводами, выходы демодуляторов объединены и образуют выходные выводы преобразовательных ячеек, причем их первый выходной вывод соединен с первым входным выводом, а второй — с первым входным выводом выходного фильтра, второй входной вывод которого соединен с

1467705

l0 вторым входным выводом, управляющие входы ключей инвертора и демодулятора каждой из ячеек подключены соответственно к выходам двух распредели5 телей импульсов, информационные входы которых соединены с информационным выходом блока управления, а их адресные входы — с синхронизируюшими выходами блока управления, который 1О состоит из последовательно включенных задающего генератора, генератора пило образ ного напряжения, амплитудного детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выходом соединенного с инвертирующим входом второго компаратора, выход которого соединен с одним входом логического элемента 2И-НЕ, выход которого образует информационный выход блока управления, а к "ro другому входу подключен выход первого компаратора, неинвертируюпяй вход которого объединен с неинвертирующим входом дифференциаль- 25 ного усилителя и образует управляюшИй вход, причем инвертирующий вход первого компаратора объединен с неинвертирующим входом второго компаратора и подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, при этом синхронизируюшие выходы блока управления образованы соответственно прямым и инверсным выходами Т-триггера и выходом узла контроля полярности, 35 вход которого подключен к входным выводам, а его выход — к вторым адресным входам распределителей импульсов обоих преобразовательных ячеек, при этом прямой выход Т-триггера соеди40 нен с первым адресным входом распределителя импульсов первой преобразовательной ячейки, его инверсный выход - с первым адресным входом распределителя импульсов второй преобразовательной ячейки, его вход подключен к выходу задающего генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия за счет уменьшения динамических потерь в ключах демодулятора, введены третий компаратор, инвертирующий вход которого подключен к выходу амплитудного детектора,неинвертируюшИй — к управляющему входу, а его выход подключен к введенному дополнительному адресному входу первого и второго распределителей импульсов, причем каждый из ключей инверторов выполнен в виде двух встречно включенных транзисторов с обратными диодами, выходные выводы каждого из демодуляторов образованы выводами одного из его ключей, при этом первый и второй выходы каждого из распределителей импульсов соединены соответственно каждый с управляющими входами пары транзисторов одного направления основных ключей, третий и четвертый выходы — соответственно каждый с управляющими входами пары транзисторов одного направления размагничивающих ключей, пятый выход - с управляющим входом ключа демодулятора, включенного последовательно с вторичной обмоткой трансформатора повышенной частоты, а шестой выход соединен с управляющим входом ключа, образующего выходные выв оды де модуля т op a . l461705