Преобразователь напряжения

(71) Минский радиотехнический институт(56) 1. Патент ФРГ У 2819678,кл. Н 02 Р 13/22, 1979.2. Авторское свидетельство СССРВ 577630, кл . Н 12 М 7/537, 1977.3, Патент США Кф 4270163,кл, Н 02 М 7/537, 1981,(54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий выходной силовой каскад с двумя группами транзисторов,каждая из которых состоит из четырех последовательно соединенныхтранзисторов, параллельно каждому изкоторых подключены диоды, двух конденсаторов, первые обкладки которыхподключены к соответствующим входным выводам выходного каскада, авторые через рекуперирующие диоды подключены к точкам соединения соответственно транзисторов верхней и нижней пар в каждой группе, причем точки соединения каждой пары транзисторов образуют выходные выходы силового каскада, при этом базы транзисторов подключены к выходам узла управления, о т л и ч,а ю щи й с я тем,что, с целью уменьшения установочноймощности преобразователя за счетобеспечения двух независимых регулируемых выходных напряжений при наличии одного силового выходного каска.да, введены интегральный широтно-импульсный модулятор, первый и второйпоследовательный резонансный ЕСконтур, подключенные параллельно выходным выводам силового каскада, параллельно конденсаторам которых включены выходные трансформаторь 1 с выходными выпрямителями и фильтрами, при этом входы узла управления подключены к выходам интегрального широтно-импульсного модулятора.2. Преобразователь по и. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что интегральный широтно-импульсный модулятор содержит узел генератора сицусоидальных сигналов, состоящий из генератора прямоугольных импульсов, соединенного с первым формирователем синусоидальных сигналов первым выхоУ Щ дом узла и входом делителя частоты выход которого соединен с вторым выходом узла и входом второго формирователя сицусоидальцого сигнала, причем выходы указацнь.х формирователей образуют третий и четвертьй выходы узла, которые через два регулятора подключены к входам первого узла сравнения и первым двум входам фор - мирователя импульсов управления, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к второму и первому выходам узла генератора синусоидальных сигналов, пятый вход - к выходу генератора тактовых импульсов, шестой и седьмой - к первому и третьему выходам первого узла сравнения, восьмой - к выходу второго узла сравнения, входы которого подключе- аф цы к первому и третьему выходам первого узла сравнения, причем выходы формирователя импульсов управления соедицены с входами широтно-импульсного модулятора, выходы которых об - разуют выходные выводы модулятора.Фю роро радеум. т. Ж 8 Р Тираж бббГосударственного комиелам изобретений и оосква, Ж, Раушска тета С крытий наб., 1 11217Изобретение относится к преобразовательной технике и может бытьиспользовано при разработке вторичных источников электропитания, вчастности плазменных источников ионов,5Известен преобразователь напряжения, который содержит конденсаторы, соединенные последовательно, параллельно каждому из которых подключено .соединение первичной обмотки 10трансформатора с переключающим транзистором, образующее как минимумдва полумостовых преобразователя,которые работают на одном общем сердечнике Я .15Недостатки такого преобразователя напряжения - пониженный КПД из-эаотсутствия рекуперации энергии индуктивности рассеяния трансформатора, а также наличие только одного управляемого выхода.Известен преобразователь напряжения, содержащий цепочку иэ четырехсогласно-последовательно соединенныхтранзисторов выходного трансформатора 2 .Недостатки данного преобразователя напряжения - пониженный КПД приработе на реактивную нагрузку, а также наличие только одного управляемого выхода.Наиболее близким по технической.сущности к предлагаемому являетсяпреобразователь напряжения, который содержит выходной каскад с двумя35группами транзисторов, каждая из которых содержит по четыре последовательно соединенных транэистора,парал,яельно каждому из которых подключеныдиоды два конденсатора один иэ обклаВ У У40док которых подключены к соответствующим входным выводам выходного каскада, а другие через рекуперирующиедиоды - к точкам соединения соответственно верхней и нижней пар тран 45зисторов в каждой группе, причемточки соединения каждой пары транзисторов в группе образуют выходные выводы силового каскада, приэтом базы транзисторов подключенык выходам узла управленчя 3 .50Недостатком устройства являетсявоэможность обеспечения только одного регулируемого канала выходногонапряжения при наличии одного сило 55вого каскада,Цель изобретения - уменьшение установочной мощности преобразователя за счет обеспечения двух независимых регулируемых каналов выходного напряжения при наличии одного силового выходного каскада.1Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения, содержащий выходной силовой каскад с двумя группами транзисторов, каждая из которых состоит из четырех последовательно соединенных транзисторов, параллельно каждому из которых подключены диоды, двух конденсаторов, одни из обкладок которых подключены к соответствующим входным выводам выходного каскада, а другие через рекуперирующие диоды подключены к точкам соединения соответственно транзисторов верхней и нижней пар в каждой группе, причем точки соединения каждой пары транзисторов образуют выходные выводы силового каскада, при этом базы транзисторов, подключены к выходам узла управления, введены интегральный широтно-импульсный модулятор, первый и второй последовательный резонансный ЬС-контур, подключенные параллельно выходным выводам силового каскада, параллельно конденсаторам которых включены выходные трансформаторы с выходными выпрямителями и фильтрами, при этом входы узла управления подключены к выходам интегрального широтно-импульсного модулятора.При этом интегральный широтно-импульсный модулятор содержит узел генератора синусоидальных сигналов, состоящий иэ генератора прямоугольных импульсов, соединенного с пер" вым формирователем синусоидальных сигналов, входам делителя частоты и первым выходам узла, выход делителя частоты соединен с вторым выходом узла и входом второго формирователя синусоидального сигнала, выходы указанных формирователей образуют третий и четвертыйвыходы узла, которые через два регулятора подключены к вхо. дам первого узла сравнения и первым двум входам формирователя импульсов управления, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к второму и первому выходам узла генератора синусоидальных сигналов, пятый вход - к выходу генератора тактовых импульсов, шестой и седьмой - к первому и третьему выходам первого узла сравнения, восьмой - к вы112175 40 ходу второго узла сравнения, входы которого подключены к первому и третьему выходам первого узла сравнения, причем выходы формирователя импульсов управления соединены с входами широтно-импульсного модулятора, выходы которых образуют выходные, выводы модулятора.На фиг. 1 приведена структурная схема преобразователя йапряжения,10 на фиг. 2 - структурная схема интегрального широтно-импульсного модулятора, на фиг. 3 и 4 - диаграммы работы модулятора; на фиг. 5 - структурная схема управления, на фиг. 6 - диа 15 граммы работы схемы управления.Преобразователь напряжения (фиг.1) состоит из выходного каскада 1, собранного по схеме моста с рекуперирующими цепями, содержащего восемь силовых транзисторов, двенадцать диодов и емкостной делитель, схемы 2 управления, содержащей импульсные усилители, обеспечивающие усиление и формирование сигнала, поступающего на его вход, интегрального широтно-импульсного модулятора 3, первого 4 и второго 5 последовательного резонансного контура, первого 6 и второго 7 трансформаторов, первого 8 и второго 9 выпрямителя, первого 10 и второго 11 фильтра, первой 1 и второй 13 нагрузки, причем выход модулятора 3 соединен с входом схемы 12 управления, выходы которой соединены35 с базами транзисторов выходного каскада 1, выход которого соединен с входами первого 4 и второго 5 последовательного резонансного контура, причем выходы последних соединены с последовательно соединенными первым 6 и вторым 7 трансформаторами, первым 8 и вторым 9 выпрямителями, первым 10 и вторым 11 фильтрами, первой 12 и второй 13 нагрузкой.Интегральный широтно-импульсный модулятор 3 (фиг. 2) состоит из генератора 14 синусоидальных сигналов, содержащего генератор 15 прямоугольных импульсов, первый формирователь 16 синусоидального сигнала, делитель 50 17 частоты, второй формирователь 18 синусоидального сигнала и генератора 19 тактовых импульсов, первого 20 и второго 21 регуляторов формирователя 22,содержащего сумматор 23 ампли- - 55 тудный детектор 24, коммутатор 25, первой схемы 26 сравнения, содержащей выпрямитель 27 с фильтром 28,7 4компаратор 29, второй схемы 30 сравнения, содержащей сумматор 31, инвертирующий усилитель 32, формирователь 33 импульсов, содержащий широтно-импульсный модулятор.Узел 2 управления (фиг. 5) состоит из двухтактного усилителя 34 мощности, импульсного трансформатора35, восьми импульсных усилителей 36,причем импульсный усилитель 36 сос -тоит из амплитудного детектора 37,формирователя 38 задержки, выходногокаскада 39, выпрямителя 40, формирователя 4 1, причем выход двухтактного усилителя 34 мощности соединен спервичной обмоткой импульсного трансформатора 35, а восемь вторичных обмоток трансформатора 35 соединены свходами восьми соответствующих импульсных усилителей 36, причем выход амплитудного детектора 37 соединен свходом формирователя 38 задержки,выход которого соединен с входомвыходного каскада, причем выход формирователя 4 1 соединен с входом усилителя 42, причем вход выпрямителя40 соединен с вхопом амплитудногодетектора 37, а вь 1 ход соединен с.одним из входов выходного каскада 39,Преобразователь напряжения работает следующим образом,Генератор 15 прямоугольных импульсов вырабатывает импульсы прямоугольной формы с частотой,Р, выходкоторого соединен с входом делителя17 частоты (в качестве которого возможно при соотношении частот 1/2 использовать счетный триггер) и входомформирователя 16 синусоидального сигнала (в качестве которого возможноиспользовать резонансный контур илиполосовой фильтр), Выход делителя17 частоты соединен с входом формирователя 5 синусоидальпого сигнала,при этом на выходах генератора 14имеют месг о следующие сигналы: выход. 14,3 и 14,4 - синусоидальные сигмалы равной амплитуды с частотой 1и Е: всоответственно: выход 14,114,2 - прямоугольные импульсы с частотой Р 1 и Г = - соответственно.ГзТСинусоидальные сигналы с выходов14,3 и 14,4 поступают на входы 20. 1и 21. 1 регуляторов 20 и 21, выходы20,2 и 21,2 которых соединены с входами 22, 1 и 22,2 формирователя 22.Входы 22, 1 и 22.2 формирователя 22соединены с входами сумматора 23,выход которого соединен с входом амплитудного детектора 24 на выходе которого выделяется модулирующая частота, получаемая при сложении двухчастог в сумматоре 23. С выхода 22.9формирователя 22 сигнал поступает 5на вход 33,1 формирователя ЗЗ импульсов и соответственно на управляющийвход широтно-импульсного модулятораЗЗ(ШИМ). На вход 33.2 Формирователя33 импульсов, а через него на тактовый вход ШИМ поступают тактовые импульсы с выхода 22.10 формирователягт,е. с выхода 1 коммутатора 25, ана вход 33.3 Формирователя 33 импульсов, а следовательног и на распределительный вход ШИМ поступают импуль.сы с выхода 22.11 формирователя 22т.е. с выходаг коммутатора 25. Парафазные выходы ШИМ соединены с входами 33.4 и 33,5. Тактовые импульсы, 20поступающие с выхода 22, 10 и 22. 11 аформирователя 22 и, Соответственно,с выхода 1 и 1 коммутатора 25 представляют собой последовательностиимпульсов, поступающие на выходы2522.3, 22 Р 4,22.5 формирователя или,что то же самое, на входы Х 1, Хд, Хкоммутатора 25, в качестве кото-рого можно использовать стандартный коммутатор типа К 155 КП 7. На входы22,6 Р 22;7, 22.8 формирователя 22 исоответственно на входы х,1 Р хр х . коммутатора 25 поступают сигналы с выхсдов схем 26 и 30 сравнения. Навходы 26.1 и 26,2 схемы 26 сравнения35 поступает синусоидальный сигнал с выходов 20.2 и 2 1.2 регуляторов 20 и 21. Эти сигналы выпрямляются, фильтруются выпрямителем 27 и Фильтром28 и поступают на вход компаратора 29 Р который сравнивает величины сиглалов, если сигнал с выхода выпря- мителя и фильтра 27 больше сигнала с выхода выпрямителя и Фильтра 28,то на вьмоде компаратора 29 и, соответственно, на выходе 26.4, схемы 26 сравнегпгя появится сигнал логической единицы, если наоборот - то сигнал логического нуля. Выходы 26.3 и 26,5 схемы 26 сравнения соединены с входами 30.к 1 и 30.2 схемы 30 сравнения, которая определяет равенство сигналов с выходов 20,2 и 21.2 регуляторов 20 и 21. Сигнал с входа 30.1 поступает на неинвертирующий вход усилителя 32, на инвертирующий 5 вход которого поступает сигнал с входа 30.2. При этом один анод дио,дов сумматора 3 1 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 32, а второй - с выходом операционного усилителя 32, а катоды соединены вместе и подсоединены к точке130.3 схемы 30 сравнения. При равенстве амплитуд сигналов на выходе 30.3схемы 30 сравнения появляется сигналлогического нуля, а при их неравенстве - логической единицы. Этот сигнал поступает на вход 22.8.формирователя 22 и соответственно на вход коммутатора 25. Генератор 19 вырабатывает импульсы с частотой, равнойНа выходе генератора 15 (фиг. За) имеются импульсы прямоугольной формы с частотой РР, на выходе делителя 17 частоты - импульсы с частотой Г = (фиг. Зб), на выходе фор Р,гмирователей 16 и 1,8 синусоидальных сигналов - форма сигналов, приведенная на Фиг. Зв и Зг соответственно, Сигналы на выходе 20.2 и 21.2 регуляторов 20 и 21 изменяют свою амплитуду в зависимости от коэффициента передачи и регулятора. Если амплитуды сигналов на выходе 20.2 и 21.2 равны, на выходе сумматора 23 получают суммйров".гнный сигнал двух синусоидальных колебаний с равными амплитудамиИз выражения (1) видно, что в спектре сигнала имеются.две частоты равные полусумме и полуразности основных частот, т.е, частот Р = Рг +РуР, -Р21 ри этом частота Р является несущей, а частота Р - модулирующей частотой, Частота Р,1 выделяется амплитудным детектором 24, на выходе 22,9 формирователя 22 появляется сигнал с частотой Рар, который поступает на вход 33. 1 Формирователя 33 импульсов, т.е. на управляющий вход ШИМ (фиг. Зд). При этом на тактовый вход ШИМ и соответственно на вход 33.2 Формирователя 33 импульсов че" рез коммутатор 25 поступает тактовая частота Р, с выхода генератора 19,1121757 Х Хз 2 1 2 3 1 Х, 1 1 Х Х Х Х30 2 2 Х Х 1 0 орму 0 Х Х рователя 33 импульсов будет после-довательность широтно-модулированныхР +Римпульсов с частотой у = -1 в а(фиг. Зе), которая поступит на входы силового каскада (фиг. Зж и Зд).,Схема 30 сравнения обеспечиваетпрохождение на выход коммутатора 25Р, +ГтОлько частоты у,= в -Ь с выходагенератора 19. Как видно из фиг. 2,; на входы Х 4, Х 2, Х 2 коммутатора 25поступают сигналы с генератора 15,делителя 17 частоты, а также с генератора 19, а на управляющие входыХ 4, Х 5, ХЬ - сигналы с выходов выпрямителя и фильтра 27, компаратора29 и 30,3 схемы 30 сравненияКоммутатор 25. работает согласно., таблице истинности (Х - произвольное состояние),(фиг. Зд), На выходе усилителя мощности и соответственно на входахобоих контуров появятся две частоты,Гй Р -Г Р+Г 52 " 2 2равные у = ви у -С:.2. т а .а.которые выделяются контурами 4 и 5(фиг, 1) соответственно. При этоммощность, переданная в нагрузку 12и 13, будет равна.Если необходимо передать мощностьв контур 4 (фиг. 1), настроенный начастоту Г амплитуда синусодального сигнала частоты Р на выходе 20,2регулятора 20 больше, чем амплитуда 15 сигнала на выходе 21,2 регулятора21.3, т,е. приведет к тому, что навыходе 264 схемы 26 сравнения, навыходе 30.3 схемы 30 сравнения появятся сигналы логической единицы, 20 При этом согласно таблице истинностина выходах У и У, коммутатора 25появится сигнал с выхода генератора.15 частоты Р 1. Этот сигнал поступитна тактовый распределительный вход 25 ШИМ (вход 33.2 и 33.3 формирователя 33 импульсов), На модулирующийвход ШИМ формирователя 33 импульсовпоступает сигнал, фаза и амплитудакоторого определяются по ФормуламКак видно из таблицы, на выходе коммутатора 25 и соответственно на входе 33.2 формирователя 33 импуль- .40 сов имеются тактовые импульсы с требуемой частотой в зависимости от состояния выходов 26.3, 26.4 и 30,3 схем сравнения 26 и 30. При равенстве обоих сигналов на выходах 20.2, и 21,2 регуляторов 20 и 21 на выходе 30.345компаратора 30 появляется сигнал логического нуля и согласно таблице истинности на выходе У 1 У, коммутатора 25 появится сигнал с выхода генератора 19Эти сигналы являются соот .ветственно тактовым и распределительным для ШИК. Прй этом управляющим сигналом для ШИМ будет сигнал с выхода амплитудного детектора 24, на выходе ШИМ и на выходе формирователя 33 импульсов будет сигнал, промодуГ Глинованный частотой - еР 1 Лз 1.пь) СГз А 2 ЯлпЯ 2 СПри величине амплитуды сигнала большей сигнала Г величина амплитуды результирующего сигнала определяется большей амплитудой. При этом модулирующая частота равна (о,-я ), т.е. Г 1 -Г . На модулирующий .вход поступает сигнал с частотой Г-Г т.е. Р -- = - = Г что обеспечит2 2 йна выходе ШИМ и, следовательно, на выходах 33.4, 335 формирователя 33 импульсов широтно-модулируемьп сигнал с частотой модуляции, равной Р, ,(фиг, 4 г, д). Предположим, что необходимо большую часть мощности передать в ЬС-контур 5, настроенный наГчастоту Р = . При этом на выходе1.2 регулятора 21 амплитуда напряения вьппе, чем на выходе 20,2 регу.1121757 Сигнал, поступивший на входы 36.1 и 36.2 импульсного усилителя 36, поступает на входы 37,1 и 37,2 амплитудного детектора 37, который выделяет положительную полуволну сигнала, а гакже на входе 40.1 и 40,2 выпрямителя .40. На выходе амплитудного детектора 37 (точки 37.3 и 37,4) формируется сигнал положительной полярности (Фиг, бг). Фаза. сигнала, требуемая для правильной работы транзисторов выходного каскада, устанавливается фазированием вторичной обмотки трансформатора 35. С выхода амплитудного детектора 37 (точки 37.3 и 37.4) сигнал поступает навход формирователя 38 задержки, который может быть выполнен.в видепассивной кС-цепи, На выходе (38,3и 38,4) формирователя 38 задержкиимеет место сигнал, приведенный наФиг. бд. Время задержки определяетсясостоянием параметров НС-цепи. Сигнал с выхода Формирователя 38 задержки поступает на вход импульсного Формирователь 41 может быть выполнен на логическом элементе И". На выходе Формирователя 41 сигнал имеет форму, приведенную на Фиг. б. При этом регулирование времени задержки Т осуществляется с помощью потенциометра в формирователе 38 задержки. Далее сформированный сигнал с выхода Формирователя 41 поступает на вход усилителя 42, который усиливает сигнал по мощности, Усилитель 42 может быть выполнен по схеме ненасыщенного ключа, С выхода усилителя 42 и с выхода импульсного усилителя Зб (точка 36.3) сигнал поступает на базу соответствующего транзистора выходного каскада (Фиг. 1). Каждый выход соответствующего импульсного усилителя 36 соединен с соответствующей базой одного из транзисторов выходного каскада. Выпрямитель 40 обеспечивает необда 39, Это необходимо для нормальной работы транзисторов выходного каска 9 10лятора 20, Это приводит к тому, чтона выходе 26,4 схемы 26 сравнениябудет сигнал с уровнем логическогонуля, при этом, на выходах 26.3 и30.3 схем 26 и 30 сравнения соответственно будет уровень сигнала, соответствующий логической единице, Согласно таблице истинности эти сигналы,поступив на входы коммутатора 25,обеспечйт на выходах У и У 2 выход Оные сигналы, равные частотам Г(Фиг. 4 а) и Г (фиг, 4 б) соответственно, Это обеспечивает,на выходах33.4 и 33,5 формирователя ЗЗ импульсов сигнал, показанный на 15фиг. 4 е и 4 ж соответственно. Этотсигнал соответствует перемодулированному сигналу частот Г 1 и Р При равенстве нулю сигнала частоты Г сог,ласно таблице истинности на входы 2033.2 и 33.3 формирователя 33 импуль- сов поступает частота, равная ГНа фиг, 3 и 4 показаны диаграммыизменения напряжения на выходах 33,2и 33.3 Формирователя 33 импульсов при 25изменении соотношения сигналов с вы- усилителя 39, соединенного с входомхода регуляторов 20 и 21. На Фиг. 4 гформирователя 41, который обеспеччамплитуда Г 1 больше амплитуды Г , навдет формирование импульса послефиг, Зж,з амплитуды равны, на : . Формирователя 38 задержки.Фиг. 4 е, ж амплитуда Г сольше амплиОтуды Г,Сигналы с выходов 33.2 и33,3 формирователя 33 импульсов поступают на вход схемы 2 управления,которая обеспечивает усиление и формирование сигнала35Схема 2 управления (Фиг. 5) работает .следующим образом,Импульсы прямоугольной Формы свыхода формирователя 33 импульсовпоступают на входы 34,1 и 34.2 двух-,тзктного усилителя 34 мощностиФиг, 5 а, б). При этом на первичнойоомотке импульсного трансформатора35 (точки 35,1 и 35.2),подключенноговыходам 34.3 и 34.4 двухтактного 4усилителя 34 мощности, будет иметьместо сигнал, приведенный на фиг. бв.На вторичйых обмотках импульсноготрансформатора 35 (точки 35.3)сигнал точно такой же Формы, но самплитудой в К. раз меньшей .(К, в коэффициент трансФормации импульсноготрансформатора 35). С каждой вторич- ходЬмое гальванически развязанноеной обмотки импульсного трансформа- напряжение питания выходного каскатора 35 сигнал поступает на входы36.1 и 36.2 импульсного усилителя 36.Рассмотрим работу одного импульс" да (Фиг. 1).ного усилителя 36, так как остальные Таким образом, предлагаемое устработают аналогично. ройство обеспечивает полное и неза1121757ыхо ной ширины лируемых выходных напряжения прн висимое регулирование выходной ширины лыходного импульсов, а следоовательно и ам- наличии одного силового вФх обоих каскада, а та плитуды напряжения на выходах о кже .осуществляет стабилизацию выходного тока по о об им из резонансных ЬС-контуров, а это, вналов. Устройство имеет ли-.ь обеспечивает изменение 5 двух каналов. с свою очередь, о еспечзависимость выходного напрянапряжения и .тока в рунаг зках. Ис- неиную зажения от управля емого напряжения и пользование последовательных контуть п авления от ЭВМ черезет ос ествить стабилиза- возможность управления от ров позволяет осуществитьцифроаналоговый преобразователь, цию тока в нагрузках.10 что позволяет использовать устройст.й - во в автоматических устройствах упКроме того, р дп е лагаемое устро ст- вег - равления технологическим процессом. во обеспечивает два независимо регу