Преобразователь постоянного напряжения в переменное

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение синусоидальной формы, например, в автомобильной технике. Техническим результатом изобретения является повышение КПД, уменьшение габаритов. Технический результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное введены первый 7 и второй 8 трансформаторы, первые выводы первичных обмоток которых объединены и подключены к входной шине 12, вторые выводы их подключены соответственно к выходам второго 2 и третьего 3 транзисторных ключей, входы которых объединены с входами первого 1 и четвертого 4 транзисторных ключей и точка их соединения подключена к общей шине 13, к которой подключены через вторичную обмотку первого трансформатора 7 анод первого диода 5, а через вторичную обмотку второго трансформатора 8 анод второго диода 6. Введение первого и второго трансформаторов в преобразователь постоянного напряжения в переменное, подключение первичных его обмоток между входной шиной преобразователя и выходами второго и третьего транзисторных ключей и подключение вторичных обмоток трансформаторов параллельно первому и четвертому транзисторным ключам, объединение входов транзисторных ключей позволяют использовать дроссель в качестве источника тока и дополнительно подзаряжать выходной конденсатор. Такое решение позволяет отказаться от двухступенчатой системы преобразования, что повышает КПД устройства, отказаться от наличия в схеме преобразователя конденсатора большой емкости, что значительно уменьшает габариты устройства. 4 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение синусоидальной формы, например, в автомобильной технике.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены соответственно к выходам первого и второго ключей, входы которых объединены и через первый датчик тока подключены к первому входу преобразователя, второй вход которого подключен к средней точке первичной обмотки трансформатора, управляющие входы первого и второго ключей подключены соответственно к выходу первого блока управления, вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу выпрямительного моста, к первому выходу которого подключены первый вывод конденсатора и первый вход мостового преобразователя напряжения, второй выход выпрямительного моста подключен к общей шине, ко второму выводу конденсатора и через второй датчик тока ко второму входу мостового преобразователя напряжения, каждая ветвь которого содержит транзисторный ключ, выходы первого и второго транзисторных ключей объединены и подключены к первому входу мостового преобразователя напряжения, ко второму входу которого подключены объединенные входы третьего и четвертого транзисторных ключей, вход первого и выход третьего транзисторных ключей объединены и подключены к первому выходу преобразователя постоянного напряжения в переменное, ко второму выходу которого подключены объединенные вход второго и выход четвертого транзисторных ключей, управляющие входы транзисторных ключей мостового преобразователя напряжения подключены к выходам второго блока управления соответственно /см. патент США 4706177, НКИ 363-24, 1987/.

Недостатками преобразователя являются наличие двухступенчатой системы преобразования (предварительное преобразование постоянного низкого напряжения в высокое постоянное напряжение), большие габариты из-за наличия конденсатора большой емкости и низкая надежность, обусловленная большим количеством управляемых ключей, низкое КПД за счет использования двухступенчатой системы преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий во второй ступени преобразования первый, второй, третий и четвертый транзисторные ключи, зашунтированные первым, вторым, третьим и четвертым диодами соответственно, управляющие входы транзисторных ключей подключены к управляющим входам преобразователя, выход первого и вход второго транзисторных ключей объединены и подключены к первому выводу первой индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй индуктивности, второй вывод которой подключен к точке соединения выхода четвертого и входа третьего транзисторных ключей, причем выходы второго и третьего транзисторных ключей объединены и точка их соединения подключена к первому выводу второго конденсатора и к первой выходной шине выпрямительного моста, входы первого и четвертого транзисторных ключей объединены и точка их соединения подключена ко второму выводу второго конденсатора, ко второй выходной шине выпрямительного моста и к общей шине /см. патент ЕР 0617503, Н 02 М 67/5387, 1996/.

Недостатками преобразователя являются наличие двухступенчатой системы преобразования (необходимо предварительное преобразование), большие габариты из-за наличия конденсатора большой емкости, низкое КПД за счет использования двухступенчатой системы преобразования.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД, уменьшение габаритов.

Технический результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий первый, второй, третий и четвертый транзисторные ключи, входы управления которых подключены к соответствующим выходам блока управления, выход первого транзисторного ключа подключен к катоду первого диода и к первому выводу первой обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к катоду второго диода и к выходу четвертого транзисторного ключа, а также входную и общую шины, введены первый и второй трансформаторы, первые выводы первичных обмоток которых объединены и подключены к входной шине, вторые выводы их подключены соответственно к выходам второго и третьего транзисторных ключей, входы которых объединены с входами первого и четвертого транзисторных ключей и точка их соединения подключена к общей шине, к которой подключены через вторичную обмотку первого трансформатора анод первого диода, а через вторичную обмотку второго трансформатора анод второго диода.

Введение первого и второго трансформаторов в преобразователь постоянного напряжения в переменное, подключение первичных его обмоток между входной шиной преобразователя и выходами второго и третьего транзисторных ключей и подключение вторичных обмоток трансформаторов параллельно первому и четвертому транзисторным ключам, объединение входов транзисторных ключей позволяют использовать дроссель в качестве источника тока и дополнительно подзаряжать выходной конденсатор. Такое решение позволяет отказаться от двухступенчатой системы преобразования, что повышает КПД устройства, отказаться от наличия в схеме преобразователя конденсатора большой емкости, что значительно уменьшает габариты устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема преобразователя напряжения постоянного в переменное (синусоидальной формы), на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу (на фиг. 2а, б, в, г - соответственно управляющие сигналы на входах первого, второго, третьего и четвертого транзисторных ключей; на фиг.2д - напряжение на выходе преобразователя), на фиг.3 представлен пример выполнения блока управления, на фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 транзисторные ключи, входы которых объединены и подключены к общей шине 13 преобразователя, входная шина 12 которого подключена к точке соединения первых выводов первичных обмоток первого 7 и второго 8 трансформаторов, вторые выводы первичных обмоток трансформаторов 7 и 8 подключены соответственно к выходам второго 2 и третьего 3 транзисторных ключей, выходы первого 1 и четвертого 4 транзисторных ключей подключены соответственно через первую 9' и вторую 9" обмотки двухобмоточного дросселя 9 к выходным выводам 14'и 14" преобразователя, к которым параллельно подключен конденсатор 10, выходы первого 1 и четвертого 4 транзисторных ключей подключены соответственно через встречно включенные первый 5 и второй 6 диоды к первым выводам вторичных обмоток первого 7 и второго 8 трансформаторов, вторые выводы которых подключены к общей шине 13, управляющие входы транзисторных ключей 1-4 подключены к соответствующим выходам блока 11 управления.

Блок 11 управления содержит трансформатор 15, первичная обмотка 15' которого подключена к входным зажимам источника питания блока управления, к первому выводу вторичной обмотки 15" его подключен катод первого диода 16, аноды второго 17 и третьего 18 диодов, второй вывод первой вторичной обмотки 15" трансформатора 15 объединен с первым выводом второй вторичной обмотки 15''' и через первый резистор 22 подключен к катоду второго диода 17, через второй резистор 23 подключен к катоду четвертого диода 20, второй вывод второй вторичной обмотки 15''' трансформатора 15 подключен к анодам четвертого 20 и пятого 21 диодов и к катоду шестого диода 19, анод которого соединен с анодом первого диода 16 и точка их соединения подключена к общей шине, катоды третьего 18 и пятого 21 диодов объединены и точка их соединения подключена к первому входу блока 24 сравнения, ко второму входу которого подключен выход генератора 25 пилообразного напряжения, выход блока 24 подключен ко входу инвентора 26, выход которого подключен к первым входам первого 27 и второго 28 элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к катодам второго 17 и пятого 21 диодов, выходы первого 27 и второго 28 элементов И подключены соответственно к входам первого 29 и второго 30 элементов И-НЕ, первый и второй выходы первого элемента И-НЕ 29 являются соответственно первым и вторым выходами блока 11 управления, первый и второй выходы второго элемента И-НЕ 30 являются соответственно третим и четвертым выходами блока 11 управления Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусиодальной формы работает следующим образом.

Блок 11 управления вырабатывает импульсы управления, которые поступают на входы транзисторных ключей 1-4 в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.2а-г.

В течение интервала времени t₀-t_п происходит формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения на конденсаторе 10.

В течение всего интервала времени t₀-t_п транзисторный ключ 4 открыт, а транзисторный ключ 3 заперт.

В момент времени t₀ в соответствии с поданными сигналами от блока 11 управления на управляющие входы транзисторных ключей 1-4 ключ 1 закрывается, а ключ 2 открывается. Ток течет от источника 12 через первичную обмотку трансформатора 7, ключ 2 к общей шине 13. В соответствии с фазировкой обмоток на вторичной обмотке трансформатора 7 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника питания и коэффициенту трансформации, которое через первый диод 5 и первую обмотку 9' дросселя 9 заряжает конденсатор 10 до некоторой величины напряжением положительной полярности, далее ток через вторую обмотку 9" дросселя, транзисторный ключ 4 замыкается на общую шину 13.

В момент времени t₁ транзисторный ключ 2 закрывается, а ключ 1 открывается. При этом дроссель 9 будет являться источником тока. Ток дросселя 9 продолжает протекать в том же направлении и дозаряжать конденсатор 10 через открытый ключ 4, общую шину 13, открытый ключ 1.

В момент времени t₂ транзисторный ключ 1 закрывается, а транзисторный ключ 2 открывается - процессы повторяются до наступления времени t_п. При этом длительность открытого состояния транзисторного ключа 2 увеличивается в соответствии с алгоритмом формирования нарастающего участка синусоидального напряжения.

По достижении середины интервала времени t₀-t_п длительность открытого состояния транзисторного ключа 2 достигает максимального значения и далее до конца интервала уменьшается в соответствии с алгоритмом формирования спадающего участка синусоидального напряжения.

В момент времени t_п заканчивается этап формирования положительной полуволны выходного напряжения.

На интервале времени t_п-t_к происходит формирование отрицательной полуволны выходного синусоидального напряжения на конденсаторе 10.

При этом в течение всего интервала времени t_п-t_к транзисторный ключ 1 открыт, а транзисторный ключ 2 заперт. Транзисторные ключи 3 и 4 работают аналогично транзисторным ключам 2 и 1 соответственно, как при формировании положительной полуволны выходного напряжения.

Ток течет от источника 12 через первичную обмотку трансформатора 8, ключ 3 к общей шине 13. В соответствии с фазировкой обмоток на вторичной обмотке трансформатора 8 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника 12 питания и коэффициенту трансформации, которое через второй диод 6 и вторую обмотку 9" дросселя заряжает конденсатор 10 до некоторой величины напряжением отрицательной полярности, далее ток через первую обмотку 9' дросселя 9, транзисторный ключ 1 замыкается на общую шину 13.

В момент времени t_п1 транзисторный ключ 3 закрывается, а ключ 4 открывается. При этом дроссель 9 будет являться источником тока. Ток дросселя 9 продолжает протекать в том же направлении и дозаряжать конденсатор 10 через открытый ключ 1, общую шину 13, открытый ключ 4.

В момент времени t_п2 транзисторный ключ 4 закрывается, а транзисторный ключ 3 открывается - процессы повторяются до наступления времени t_к. При этом длительность открытого состояния транзисторного ключа 3 увеличивается в соответствии с алгоритмом формирования спадающего участка синусоидального напряжения.

По достижении середины интервала времени t_п-t_к длительность открытого состояния транзисторного ключа 3 достигает максимального значения и далее до конца интервала уменьшается в соответствии с алгоритмом формирования нарастающего участка синусоидального напряжения.

В момент времени t_к заканчивается этап формирования отрицательной полуволны выходного напряжения.

Предложенное техническое решение позволяет отказаться от двухступенчатой системы преобразования и получить преобразование низкого постоянного напряжения в высокое переменное за одну ступень преобразования, что значительно повышает КПД устройства, кроме того, повышается надежность преобразователя, т. к. сокращается количество управляемых ключей, уменьшаются габариты его ввиду отсутствия коденсатора большой емкости.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий первый, второй, третий и четвертый транзисторные ключи, входы управления которых подключены к соответствующим выходам блока управления, выход первого транзисторного ключа подключен к катоду первого диода и первому выводу первой обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к катоду второго диода и выходу четвертого транзисторного ключа, а также входную и общую шины, отличающийся тем, что введены первый и второй трансформаторы, первые выводы первичных обмоток которых объединены и подключены к входной шине, вторые выводы их подключены соответственно к выходам второго и третьего транзисторных ключей, входы которых объединены с входами первого и четвертого транзисторных ключей и точка их соединения подключена к общей шине, к которой подключены через вторичную обмотку первого трансформатора анод первого диода, а через вторичную обмотку второго трансформатора анод второго диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4