Преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

Изобретение относится к силовой электронике и может использоваться в источниках вторичного электропитания. Технический результат - расширение диапазона регулирования выходного напряжения. Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий однофазный мостовой выпрямитель, образованный двухоперационными ключами и диодами, токоограничивающий дроссель на стороне переменного тока, сглаживающий конденсатор на стороне постоянного тока. С целью расширения диапазона регулирования выходного напряжения в два плеча однофазного мостового выпрямителя, образующих первый зажим переменного тока, включены диоды, а в противоположные плечи, образующие второй зажим переменного тока, включены симметричные двухоперационные ключи с общим управляющим входом, один из которых является ключом замыкающего типа, а другой - ключом размыкающего типа. 2 ил.

Изобретение относится к силовой электронике и может использоваться в источниках вторичного электропитания.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, к полюсам которого подключены двухоперационный ключ и сглаживающий конденсатор через блокирующий диод, а на стороне переменного тока включен токоограничивающий дроссель [1].

Недостатком известного преобразователя является ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения, которое осуществляется путем многократного повторения на интервале периода питающего напряжения коммутационных циклов включения-выключения двухоперационного ключа. При этом область регулирования ограничена снизу амплитудным значением входного переменного напряжения, до которого через однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель заряжается сглаживающий конденсатор до начала коммутационных циклов двухоперационного ключа.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель, токоорганичивающий дроссель на стороне переменного тока, сглаживающий конденсатор на стороне постоянного тока, симметричный двухоперационный ключ, включенный между зажимами переменного тока однофазного мостового неуправляемого выпрямителя [2].

Недостатком известного преобразователя является ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения, начинающийся с амплитудного значения входного переменного напряжения, до которого заряжается через однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель сглаживающий конденсатор до начала коммутационных циклов симметричного двухоперационного ключа.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий однофазный мостовой выпрямитель, образованный двухоперационными ключами и диодами, токоорганичивающий дроссель на стороне переменного тока, сглаживающий конденсатор на стороне постоянного тока [3].

Недостатком известного преобразователя является ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения, смещенный в область значений, превышающих амплитуду входного переменного напряжения за счет заряда сглаживающего конденсатора через диоды однофазного мостового выпрямителя до начала коммутационных циклов двухоперационных ключей.

Цель предлагаемого изобретения - расширение диапазона регулирования выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в два плеча однофазного мостового выпрямителя, образующих первый зажим переменного тока, включены диоды, а в противоположные плечи, образующие второй зажим переменного тока, включены симметричные двухоперационные ключи с общим управляющим входом, один из которых является ключом замыкающего типа, а другой - ключом размыкающего типа.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип функционирования предлагаемого преобразователя.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит однофазный мостовой выпрямитель 1, образованный диодами 2, 3 и симметричными двухоперационными ключами замыкающего типа 4 и размыкающего типа 5. На стороне переменного тока однофазного мостового выпрямителя 1 включен токоограничивающий дроссель 6, а на стороне постоянного тока включен сглаживающий конденсатор 7. Управляющие входы симметричных двухоперационных ключей замыкающего типа 4 и размыкающего типа 5 объединены и подключены к выходу блока управления 8.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное функционирует следующим образом.

Блок управления 8 осуществляет широтно-импульсную модуляцию импульсов управления симметричными двухоперационными ключами замыкающего типа 4 и размыкающего типа 5, частота повторения которых должна выбираться с учетом соотношения

где f - частота входного переменного напряжения; Т_П - период повторения импульсов управления симметричными двухоперационными ключами 4, 5; N=1, 2, 3... - кратность частот импульсов управления и входного переменного напряжения.

Импульсом на выходе блока управления 8 симметричный двухоперационный ключ замыкающего типа 4 удерживается в замкнутом состоянии, а симметричный двухоперационный ключ размыкающего типа 5 удерживается в разомкнутом состоянии. На интервале паузы между импульсами управления симметричный двухоперационный ключ 4 разомкнут, а симметричный двухоперационный ключ размыкающего типа 5 замкнут.

При N>>1 и соответственно f_П>>f на интервале периода Т=1/f входного переменного напряжения осуществляются многократные коммутационные циклы симметричных двухоперационных ключей замыкающего типа 4 и размыкающего типа 5. Коммутация диодов 2, 3 однофазного мостового выпрямителя 1 происходит с частотой входного переменного напряжения, если в токоограничивающем дросселе 6 протекает непрерывный ток (фиг.2).

На протяжении положительного полупериода входного переменного напряжения (на фиг.1 полярность указана без скобок) открыт диод 3 и осуществляется N коммутационных циклов симметричных двухоперационных ключей 4, 5. Включение симметричного двухоперационного ключа размыкающего типа 5 сопровождается возникновением короткого замыкания на зажимах переменного тока однофазного мостового выпрямителя 1 и накоплением энергии в токоограничивающем дросселе 6, ток которого нарастает практически линейно в соответствии с выражением

и достигает максимального значения

где е_n - среднее значение входного переменного напряжения на n-м интервале преобразования Т_П (фиг.2,а); i(n-1) - начальное значение тока в токоограничивающем дросселе 6 на произвольном n-м интервале преобразования Т_П (фиг.2,в); t_И - продолжительность включения симметричного двухоперационного ключа размыкающего типа 5; γ=t_И/T_П - относительная продолжительность включения симметричного двухоперационного ключа размыкающего типа 5; L - индуктивность токоограничивающего дросселя 6.

Выключение симметричного двухоперационного ключа размыкающего типа 5 и одновременное включение симметричного двухоперационного ключа замыкающего типа 4 сопровождается передачей накопленной энергии из токоограничивающего дросселя 6 в сглаживающий конденсатор 7. Ток токоограничивающего дросселя 6 протекает через симметричный двухоперационный ключ замыкающего типа 4, сглаживающий конденсатор 7, диод 3 и уменьшается по линейному закону в соответствии с выражением

достигая минимального значения к моменту окончания n-го интервала преобразования (фиг.2,в)

где U_Н - напряжение сглаживающего конденсатора 7, сохраняющее неизменное значение как на интервале преобразования Т_П, так и с точностью до пульсаций на интервале Т периода входного переменного напряжения.

Аналогичным образом на интервале положительной полуволны входного переменного напряжения протекают другие коммутационные циклы, во время которых направление тока в токоограничивающем дросселе 6 не изменяется и условия проводимости диода 3 не нарушаются. Направления протекания токов в симметричных двухоперационных ключах 4, 5 также сохраняются неизменными в течение всего полупериода входного переменного напряжения и показаны на фиг.1 сплошными стрелками.

В течение отрицательной полуволны входного переменного (на фиг.1 полярность указана в скобках) открыт диод 2 и также происходят N коммутационных циклов включения-выключения симметричных двухоперационных ключей 4, 5. При этом на каждом интервале преобразования Т_П включение симметричного двухоперационного ключа замыкающего типа 4 сопровождается накоплением энергии в токоограничивающем дросселе 6, а включение симметричного двухоперационного ключа размыкающего типа 5 сопровождается передачей энергии из токоограничивающего дросселя 6 в сглаживающий конденсатор 7. Направления протекания токов в симметричных двухоперационных ключах 4, 5 сохраняется неизменным в течение всего отрицательного полупериода входного переменного напряжения и показаны на фиг.1 пунктирными стрелками.

Таким образом, токоограничивающий дроссель 6 благодаря симметричной проводимости двухоперационных ключей 4, 5 функционирует при любой полярности входного напряжения в режиме промежуточного накопителя энергии, поскольку на каждом интервале преобразования Т_П происходят предварительное накопление и последующая передача энергии в сглаживающий конденсатор 7. Протекающий в токоограничивающем дросселе 6 ток должен иметь непрерывный (фиг.2,в) или граничный (фиг.2,б) характер, причем последний предпочтительней для минимизации динамических потерь в симметричных двухоперационных ключах 4, 5.

Совместное решение (2) и (4) при синусоидальной форме входного переменного напряжения (фиг.2,а), величина которого на произвольном n-м интервале преобразования сохраняется практически неизменной и равной

позволяет определить закон модуляции относительной продолжительности включения, обеспечивающий граничный режим функционирования токоограничивающего дросселя 6 (фиг.2,б)

где Е_m - амплитуда входного переменного напряжения.

Поддержание выходного напряжения на уровне в граничном режиме функционирования токоограничивающего дросселя 6 обеспечивается синхронной с входным переменным напряжением модуляцией относительной продолжительности включения

в предельно возможном диапазоне значений (0-1). Поэтому в области , как видно из (5), регулирование выходного напряжения всегда можно совместить с поддержанием граничного режима функционирования токоограничивающего дросселя 6.

Соотношение (5), представленное в форме уравнения регулировочной характеристики

показывает, что при отсутствии потерь мощности выходное напряжение однофазного мостового выпрямителя 1 можно изменять в диапазоне В частном случае переменного входного напряжения с прямоугольной формой полуволны (пунктирная линия на фиг.2,а), когда можно принять соотношение (6) вырождается в уравнение регулировочной характеристики повышающего преобразователя постоянного напряжения.

В области регулирование выходного напряжения в граничном режиме функционирования токоограничивающего дросселя 6 невозможно, поскольку на интервале относительная продолжительность включения сохраняет предельное значение γ(n)=1,0, при котором коммутация симметричных двухоперационных ключей 4, 5 с частотой f_П прекращается и однофазный мостовой выпрямитель 1 переходит в неуправляемый режим работы.

Для изменения выходного напряжения в диапазоне необходимо на выходе блока управления 8 формировать для симметричных двухоперационных ключей 4, 5 импульсы управления длительностью 0,5·Т, с частотой повторения f=1/T и регулируемой фазой относительно кривой входного переменного напряжения.

В этом случае однофазный мостовой выпрямитель 1 функционирует в режиме импульсно-фазового управления, когда коммутация диодов 2, 3 и двухоперационных симметричных ключей 4, 5 осуществляется с частотой входного переменного напряжения, а через токоограничивающий дроссель 6 протекает прерывистый ток. Через симметричные двухоперационные ключи 4, 5 в процессе функционирования однофазного мостового выпрямителя 1 в режиме импульсно-фазового управления ток протекает только в одном направлении, которое задается диодами 2, 3.

Таким образом, предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное позволяет обеспечить достижение положительного технического эффекта, состоящего в расширении диапазона регулирования выходного напряжения, которое в области значений осуществляется в режиме импульсно-фазового управления, а в области значений осуществляется в режиме широтно-импульсного управления.

Источники информации

1. Лабунцов В.А., Чжан Дайхун. Трехфазный выпрямитель с емкостным фильтром и улучшенной кривой потребляемого из сети тока. - Электричество, 1993, №6, с.45-48, рис.1.

2. Мустафа Г.М., Иванова Е.В. Простой однофазный выпрямитель с синусоидальным входным током. - Электричество, 1989, №7, с.24-29, рис.1б.

3. Мустафа Г.М., Иванова Е.В. Простой однофазный выпрямитель с синусоидальным входным током. - Электричество, 1989, №7, с.24-29, рис.1a.

Формула изобретения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий однофазный мостовой выпрямитель, образованный двухоперационными ключами и диодами, токоограничивающий дроссель на стороне переменного тока, сглаживающий конденсатор на стороне постоянного тока, отличающийся тем, что в два плеча однофазного мостового выпрямителя, образующих первый зажим переменного тока, включены диоды, а в противоположные плечи, образующие второй зажим переменного тока, включены симметричные двухоперационные ключи с общим управляющим входом, один из которых является ключом замыкающего типа, а другой является ключом размыкающего типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2