Двухсторонний широтно-импульсный модулятор мостового инвертора

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для мостовых инверторов с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией. Технический результат заключается в исключении сквозных токов в ключевых элементах мостового инвертора, возможности их равномерной загрузки и в снижении динамических потерь на переключение ключевых элементов. Для этого в мостовом инверторе для формирования выходного напряжения достаточно управлять состоянием ключевых элементов только рабочей диагонали, а на периоде модуляции управлять включением и отключением одного из ключевых элементов, что исключает возникновение сквозных токов, для равномерной загрузки ключевых элементов предложен поочередный способ отключения ключевых элементов рабочей диагонали. 1 ил.

 

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для мостовых инверторов с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией.

Известно устройство для управления инвертором, в котором для формирования управляющих сигналов, переключающих импульсные элементы, используется широтно-импульсный модулятор, в котором формируются идентичные сдвинутые на 180 эл. град. широтно-модулированные сигналы, а также прямой и инверсный сигналы знака полярности выходного напряжения, которые формируются с задержкой, достаточной для запирания включенных ключевых элементов, управляющие сигналы для каждого ключевого элемента инвертора формируются из широтно-модулированных сигналов и сигналов знака полярности [1].

Известный широтно-импульсный модулятор позволяет управлять инвертором посредством двухсторонней однополярной на периоде модуляцией без сквозных токов и с частотой коммутации в два раза ниже частоты модуляции напряжения питания. Для исключения режима сквозных токов в этом модуляторе соответствующий сигнал знака выходного напряжения разрешает включение только требуемых ключевых элементов.

Недостатком этого модулятора является необходимость формирования сигналов знака выходного напряжения, задержка формирования которых искажает выходное напряжение при смене его полярности.

Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности, является двухсторонний широтно-импульсный модулятор, содержащий по одному узлу модуляции для каждой стойки блока ключевых элементов мостового инвертора и имеющий два управляющих входа для раздельного управления включением на выход блока ключевых элементов напряжения положительной и отрицательной полярности, а также третий управляющий вход для управления отключением включенного напряжения, каждый узел модуляции состоит из RS-триггера и имеет вход управления включением, вход управления отключением и выход, R-вход RS-триггера соединен с входом управления отключения узла модуляции, S-вход RS-триггера соединен с входом управления включения узла модуляции, выход RS-триггера соединен выходом узла модуляции, вход управления включением первого узла модуляции соединен с первым входом управления модулятора, вход управления включением второго узла модуляции соединены со вторым управляющим входом модулятора, вход управления отключением первого узла модуляции соединены с третьим управляющим входом модулятора, вход управления отключением второго узла модуляции соединен с третьим управляющим входом модулятора через логический элемент НЕ [2].

Известный двухсторонний широтно-импульсный модулятор позволяет управлять выходным напряжением мостового инвертора посредством однополярной на периоде модуляции напряжения питания, при этом в блоке ключевых элементов мостового инвертора переключаются ключевые элементы только одной стойки.

Недостатком этого модулятора является необходимость защиты от сквозных токов ключевых элементов мостового инвертора, неравномерная загрузка ключевых элементов мостового инвертора, а также большие динамические потери, так как в каждом переключении участвуют все ключевые элементы одной из стоек мостового инвертора.

Цель предлагаемого изобретения - исключение сквозных токов в ключевых элементах мостового инвертора, их равномерная загрузка и снижение динамических потерь на переключение ключевых элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в двухсторонний широтно-импульсный модулятор, содержащий по одному узлу модуляции на каждую стойку ключевых элементов мостового инвертора, имеющий два входа для раздельного управления включением на выход блока ключевых элементов напряжения положительной или отрицательной полярности, вход для управления отключением включенного напряжения, каждый узел модуляции которого состоит из RS-триггера, дополнительно введены синхронизирующий вход, делитель импульсов на два и логический элемент НЕ, а в каждом узле модуляции дополнительно введены два управляющих входа, два синхронизующих входа, второй RS-триггер, два логических элемента 2И и два логических элемента 2ИЛИ, R-вход первого RS-триггера соединен с выходом первого логического элемента 2ИЛИ, R-вход второго RS-триггера соединен с выходом второго логического элемента 2ИЛИ, первый вход первого логического элемента 2ИЛИ соединен с выходом первого логического элемента 2И, первый вход второго логического элемента 2ИЛИ соединен с выходом второго логического элемента 2И, первый вход первого логического элемента 2И соединен с первым входом синхронизации узла модуляции, второй вход первого логического элемента 2И соединен со вторым управляющим входом узла модуляции, первый вход второго логического элемента 2И соединен со вторым входом синхронизации узла модуляции, второй вход второго логического элемента 2И соединен с четвертым управляющим входом узла модуляции, S-вход первого RS-триггера и второй вход второго логического элемента 2ИЛИ соединены с первым входом управления узла модуляции, S-вход второго RS-триггера и второй вход первого логического элемента 2ИЛИ соединены с третьим входом управления узла модуляции, выход каждого RS-триггера соединен с соответствующим выходом узла модуляции, первый управляющий вход первого узла модуляции и третий управляющий вход второго узла модуляции соединены с входом управления включением положительной полярности напряжения питания модулятора, первый управляющий вход второго узла модуляции и третий управляющий вход первого узла модуляции соединены с входом управления включением отрицательной полярности напряжения питания модулятора, второй управляющий вход первого узла модуляции и четвертый управляющий вход второго узла модуляции и вход логического элемента НЕ соединены с входом управления отключением напряжения питания, второй управляющий вход второго узла модуляции и четвертый управляющий вход первого узла модуляции соединены с выходом логического элемента НЕ, первый вход синхронизации первого и второго узлов модуляции соединены с прямым выходом делителя импульсов на два, второй вход синхронизации первого и второго узлов модуляции соединены с инверсным выходом делителя импульсов на два канала, вход делителя импульсов на два соединен с входом синхронизации модулятора, выходы узлов модуляции являются выходами модулятора.

Сущность изобретения заключается в том, что в мостовом инверторе для формирования выходного напряжения достаточно управлять состоянием ключевых элементов только рабочей диагонали, а на периоде модуляции управлять включением и отключением одного из ключевых элементов, что исключает возможность возникновения сквозных токов, для равномерной загрузки ключевых элементов предложен поочередный способ отключения ключевых элементов рабочей диагонали.

На чертеже представлена схема двухстороннего широтно-импульсного модулятора мостового инвертора.

Широтно-импульсный модулятор имеет три управляющих входа F(+), F(-) и F(0), вход синхронизации С, четыре выхода Y_1В, Y_1H, Y_2B, Y_2H, содержит два узла модуляции 1 и 2, делитель импульсов на два 3 и логический элемент НЕ 4, каждый узел модуляции состоит из двух RS-триггеров 5, 6, двух логических элементов 2 И 7, 8 и двух логических элементов 1 ИЛИ 9, 10, выход логического элемента 9 соединен с S-входом RS-триггера 5, выход логического элемента 10 соединен с S-входом RS-триггера 6, выход RS-триггера 5 соединен с выходом В узла модуляции, выход RS-триггера 6 соединен с выходом Н узла модуляции, первый вход логического элемента 9 соединен с выходом логического элемента 7, первый вход логического элемента 10 соединен с выходом логического элемента 8, первый вход логического элемента 7 соединен с входом F_c1 узла модуляции, второй вход логического элемента 7 соединен с входом F_y2 узла модуляции, первый вход логического элемента 8 соединен с входом F_c1 узла модуляции, второй вход логического элемента 8 соединен с входом F_y4 узла модуляции, S-вход RS-триггера 5 и второй вход логического элемента 10 соединены с входом F_y1 узла модуляции, S-вход RS-триггера 6 и второй вход логического элемента 9 соединены с входом F_у3 узла модуляции, выход В узла модуляции 1 соединен с выходом Y_1H модулятора, выход H узла модуляции 1 соединен с выходом Y_1H модулятора, выход В узла модуляции 2 соединен с выходом Y_2B модулятора, выход Н узла модуляции 2 соединен с выходом Y_2H модулятора, вход F_y1 узла модуляции 1 и вход F_y2 узла модуляции 2 соединены с входом F(+) модулятора, вход F_у3 узла модуляции 1 и вход F_y3 узла модуляции 2 соединены с входом F(-) модулятора, вход F_y2 узла модуляции 1, вход F_y4 узла модуляции 2 и вход логического элемента 4 соединены с входом F(0) модулятора, вход F_y4 узла модуляции 1 и вход F_y2 узла модуляции 2 соединены с выходом логического элемента 4, вход F_c1 узлов модуляции 1 и 2 соединен с выходом С₂ делителя импульсов на два 3, вход F_c2 узлов модуляции 1 и 2 соединен с выходом делителя импульсов на два 3, вход делителя импульсов на два 3 соединен с входом С модулятора.

Односторонний широтно-импульсный модулятор работает следующим образом: F(+) и F(-) - входные сигналы управляющие включением положительной и отрицательной полярности напряжения питания, формируются блоком управления мостового инвертора; F(0) и - сигналы управляющие отключением напряжения питания положительной и отрицательной полярности, формируются блоком управления мостового инвертора и логическим элементом 4 модулятора; С₂ и - сигналы для разрешения отключения напряжения питания, формируются делителем импульсов на два 3 из сигнала синхронизации С, формируемого блоком синхронизации мостового инвертора; выходные сигналы Y_1B, Y_2H широтно-импульсного модулятора управляют состоянием ключевых элементов мостового инвертора, формирующих напряжение положительной полярности, а сигналы Y_1H, Y_2B - отрицательной полярности, при этом сигналы Y_1B, Y_1H управляют состоянием ключевых элементов первой стойки мостового инвертора, а сигналы Y_2B, Y_2H - второй (индекс указывает адрес выходного сигнала), установка в нуль RS-триггера 5 осуществляется сигналом формируемым логическими элементами 7 и 9, а RS-триггера 6 - сигналом формируемым логическими элементами 8 и 10, установка RS-триггера 5 в состояние лог.1 осуществляется сигналом F_y1, установка RS-триггера 6 в состояние лог.1 осуществляется сигналом F_y3, делитель импульсов на два 3 осуществляет деление синхроимпульсов С на два, прямой и инверсный сигналы результата деления поступают на входы F_c1, F_c3 узлов модуляции, входной сигнал F(+) поступает на вход F_y1 узла модуляции 1 и на вход F_y3 узла модуляции 2, F(-) поступает на вход F_у3 узла модуляции 1 и на вход F_y1 узла модуляции 2, что обеспечивает сдвиг на 180 эл. град. сигналов Y_1B, Y_2H, управляющих переключением ключевых элементов, формирующих положительное напряжение или сигналов Y_1H, Y_1B, формирующих отрицательное напряжение.

Таким образом, управление ключевыми элементами мостового инвертора двумя узлами модуляции с двумя RS-триггерами в каждом позволило формировать выходное напряжение переключением (в каждый момент коммутации) только одного из ключевых элементов инвертора, что исключает возможность возникновения сквозных токов, а введение делителя импульсов на два в процесс отключения ключевых элементов позволило равномерно распределить нагрузку между ключевыми элементами.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР № 1603509, Н02М 7/48, 30.10.1990.

2. Патент РФ № 2223529, G05В 13/02, G05F 1/56, Н03R 7/08, 10.02.2004.

Двухсторонний широтно-импульсный модулятор мостового инвертора, содержащий по одному узлу модуляции на каждую стойку блока ключевых элементов мостового инвертора, имеющий два входа для раздельного управления включением на выход блока ключевых элементов напряжения положительной или отрицательной полярности, вход для управления отключением включенного напряжения, каждый узел модуляции которого состоит из RS-триггера, отличающийся тем, что дополнительно введены синхронизирующий вход, делитель импульсов на два и логический элемент НЕ, а в каждом узле модуляции дополнительно введены два управляющих входа, два синхронизующих входа, второй RS-триггер, два логических элемента 2И и два логических элемента 2ИЛИ, R-вход первого RS-триггера соединен с выходом первого логического элемента 2ИЛИ, R-вход второго RS-триггера соединен с выходом второго логического элемента 2ИЛИ, первый вход первого логического элемента 2ИЛИ соединен с выходом первого логического элемента 2И, первый вход второго логического элемента 2ИЛИ соединен с выходом второго логического элемента 2И, первый вход первого логического элемента 2И соединен с первым входом синхронизации узла модуляции, второй вход первого логического элемента 2И соединен со вторым управляющим входом узла модуляции, первый вход второго логического элемента 2И соединен со вторым входом синхронизации узла модуляции, второй вход второго логического элемента 2И соединен с четвертым управляющим входом узла модуляции, S-вход первого RS-триггера и второй вход второго логического элемента 2ИЛИ соединены с первым входом управления узла модуляции, S-вход второго RS-триггера и второй вход первого логического элемента 2ИЛИ соединены с третьим входом управления узла модуляции, выход каждого RS-триггера соединен с соответствующим выходом узла модуляции, первый управляющий вход первого узла модуляции и третий управляющий вход второго узла модуляции соединены с входом управления включением положительной полярности напряжения питания модулятора, первый управляющий вход второго узла модуляции и третий управляющий вход первого узла модуляции соединены с входом управления включением отрицательной полярности напряжения питания модулятора, второй управляющий вход первого узла модуляции и четвертый управляющий вход второго узла модуляции и вход логического элемента НЕ соединены с входом управления отключением напряжения питания, второй управляющий вход второго узла модуляции и четвертый управляющий вход первого узла модуляции соединены с выходом логического элемента НЕ, первый вход синхронизации первого и второго узлов модуляции соединены с прямым выходом делителя импульсов на два, второй вход синхронизации первого и второго узлов модуляции соединены с инверсным выходом делителя импульсов на два канала, вход делителя импульсов на два соединен с входом синхронизации модулятора, выходы узлов модуляции являются выходами модулятора.