Преобразователь переменного напряжения в постоянное с двумя выходными напряжениями разной полярности

)5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ОМУ С ТЕЛЬС разряд. 3 ил. ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(71) Новосибирский электротехнический институт(56) Авторское свидетельство СССРМ 1541732, кл. Н 02 М 7/10, 1988,Авторское свидетельство СССР1 ч. 714594, кл. Н 02 М 7/10, 1975.(57) Использование; в источниках электро-питания радиоэлектронной аппаратуры,Сущность изобретения: устройство состоитиз блока преобразования рода тока 1, двухконденсаторных блоков накопления энергии и деления нэпрякения 2,3, блока коммутации цепи заряда 4, управляемых ключей5-8, конденсаторов 9,10, блока управления11, входных выводов 12, 13 и выходных выИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитания радиоэлектронной аппа ратуры,Известен однофазный двухполупериодный преобразователь переменного напряжения в постоянное(а.с. % 1541732, Н 02 М 7/10), содержащий первый и второй входные выводы для подключения источника питания,первый, второй и третий выводы для подключения одной нагрузки, блок преобразования рода тока, конденсаторный блок накопления энергии и деления напряжения, первый и второй управляемые ключи, выходной конденсатор и блок управления упводов 14-16. Входы блока 1 соединены с выводами 12, 13, его выход 25 соединен с входом 32 блока 2 и с выводом 41 блока 4, Выход 27 блока .1 соединен с выводом 33 блока 3 и с выводом 42 блока 4, Аналогичный вывод блока 2 соединен с выводом 39 блока 4, вывод 40 которого соединен с выводом 32 блока 3, Вывод 35 блока 2 и вывод 34 блока 3 через ключи 5,6 соединены с обьединенными входным 13 и выходным 15 выводами, а вывод 34 блока 2 через ключ 8 соединен с выходным выводом 16, Вывод 35 блока 3 через ключ 7 соединен с выходным выводом 14. Между выводами 14, 15 включен конденсатор 9, а между выводами 15, 16 - конденсатор 10, Указанное выполнение устройства обеспечивает снижение суммарной емкости .его реактивной части, расширяет область применения, уменьшает установленную мощность первичного источника, т,к. имеют место увеличение частоты преобразования и уменьшение длительностй цикла зарядравляемыми ключами, выполненный обеспечивающим в течение каждОго периода питающего напряжения переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряд-разряд конденсаторов конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, причем, соответствующие входные выводы блока преобразования рода тока соединены с входными выводами преобразователя, а выходные выводы указанного блока с входными выводами конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, выходные выводы которого через управляемые ключи соединены с разноименными обкладкамивыходного конденсатора и соответственно с первым и вторым выходными выводами преобразователя, третий выходной вывод которого соединяется с первым или вторым выходным выводом в зависимости от требу емой полярности напрякения на нагрузке относительно третьего выходного вывода,Однако указанное устройство обладает низкими массогабаритными показателями, так как для питания двух нагрузок со сред ней точкой необходимо два таких устройства включить параллельно по входу и с обеспечением двух разнополярных выходных напряжений, Это приведет к увеличению всех элементов в два раза и, как 15 следствие, к увеличению массы и обьема,Кроме того, известен преобразователь переменного тока в псстоянный Браславского (а.с. М. 714594, Н 02 Ч 7/12), являющийся прототипом изобретения и 20 содеркащий первый и второй входные выводы для подключения источника питания, первый, второй и третий выходные выводы для подключения двух последовательно соединенных нагрузок, два конденсаторных 25 блок=, накопления энергии и деления напрякения, первьйл и второй выходные и первый входной управляемые ключи, однофазный выпрямительный мост, два последовательно включенных стабилитрона и блок управ ления, при этом, положительный вывод выпрямителя через первый входной ключ соединен с катодом одного стабилитрона и первым входным выводом первого конденсаторного блока накопления энергии и де ления напряжения, второй входной вывод которого и первый входной вывод второго конденсаторного блока накопления энгргии и деления напряжения соединены с общей точкой соединения стабилитронов, а 40 второй входной вывод упомянутого блока соединен с анодом другого стабилитрона и отрицательным выводом выпрямителя, кроме того, первь 1 й выходной вывод первого конденсаторного блока накопления энер гии и деления напряжения через первый выходной ключ соединен с первым выходным выводом преобразователя, второй вывод упомянутого блока соединен с первым выходным выводом второго конденсаторно го блока накопления энергии и деления напрякения и через второй выходной ключ - со вторым выходным выводом преобразователя, второй выходной вывод указанного блока соединен с третьим выходным выводом преобразователя, первый и второй . входные выводы которого соединены С входом выпрямителя.Однако указанный преобразователь обладает низкими массогабаритными показателями, так как они определяются в большей части массой и обьемом конденсаторов, которые прямо пропорциональны емкости, Суммарная емкость реактивной части преобразователя зависит от требуемого качества преобразованного напряжения и от частоты преобразования, т,е. от длительности цикла заряд-разряд, Преобразователь является однофазным двухполупериодным двухтактным, у которого частота преобразования в два раза выше частоты преобразуемого напряжения и количество циклов (тактов) заряд-разряд конденсаторов за период Т преобразуемого напряжения равно 2, а так как длительность цикла тз + 1 р = Т/2 (тз.гр - время заряда и разряда) велика, то для обеспечения допустимого уровня пульсации на нагрузках требуется большая величина суммарной емкости реактивной части преобразователя. Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей.Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь переменного тока в постоянный Браславского, содержащий первый и второй входные выводы для подключения источника питания, первый, второй и третий выходные выводы для подключения двух последовательно соединенных нагрузок, два конденсаторных блока накопления энергии и деления напряжения, первый и второй выходные управляемые ключи и блок управления управляемыми ключами, обеспечивающий в течение каждого периода питающего напряжения переключение управляемых ключей в соответствие с циклами заряд-разряд конденсаторов конденсаторных блоков накопления энергии и деления напрякения, введены блок преобразования рода тока, блок коммутации цепи заряда, первый и второй управляемые ключи, первый и второй конденсаторы, причем блок преобразования рода тока содержит шесть диодов и управляемый ключ, при этом катод первого диода и анод второго диода соединены и образуют первый вход указан ного блока, который подключен к первому входному выводу преобразователя, анод:первого диода соединен с одним выводом упомянутого управляемого ключа и анодом третьего диода, другой вывод указанного управляемого ключа соединен с катодами второго и четвертого диодов, анод пятого и катод шестого диодов соединены и образуют второй вход блока, который подключен к второму входному выводу преобразователя, катоды третьего и пятого диодов соединены и образуют пер10 20 25 30 45 50 вый выход, аноды четвертого и шестого диодов соединены и образуют второй выход указанного блока, блок коммутации цепи заряда выполнен в виде цепочки последовательно соединенных первого коммутирующего ключа, диода и второго коммутирующего управляемого ключа, при этом соединенные вместе анод диода и один вывод второго коммутирующего управляемого ключа образуют первый вывод, соединенные вместе катод упомянутого диода и один вывод первого коммутирующего управляемого ключа образуют второй вывод, а свободные выводы первого и второго коммутирующих управляемых ключей образуют соответственно третий и четвертый выводы указанного блока, при этом первый выход блока преобразования рода тока соединен с первым входным выводом первого конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения и с третьим выводом блока коммутации цепи заряда, второй выход блока преобразования рода тока соединен с вторым входным выводом второго конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения и с четвертым выводом блока коммутации цепи заряда, второй входной вывод первого конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения соединен с первым выводом блока коммутации цепи заряда, второй вывод которого соединен с первым входным выводом второго конденсаторного блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод которого через первый выходной управляемый ключ соединен с первым выходным выводом преобразователя и одним выводом первого конденсатора, другой вывод которого соединен с объединенными вторым входным и вторым выходным выводами преобразователя, к которым подключен один вывод второго конденсатора; другой вывод которого соединен с третьим выходньм выводом преобразователя и через второй выходной управляемьй ключ с вторым выходным выводом первого блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод которого и второй выходной вывод второго блока накопления энергии и деления напряжения соответственночерез первый и второй дополнительные управляемые ключи соединены с вторым выходным выводом преобразователя. На фиг,1 приведена структурная схема предлагаемого преобразователя; нэ фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг.З - алгоритм работы блока управления и управляемых ключей Преобразователь (фиг,1) содержит блок преобразования рода тока 1, два конденсаторных блока накопления энергии и деления напряжения 2 и 3, блок коммутации цепи заряда 4, управляемые ключи 5,6,7 и 8, конденсаторы 9 и 10, блок управления 11, входные выводы 12 и 13, выходные выводы 14,15 и 16.Блок преобразования родэ тока 1 содержит управляемый ключ 17, один вывод которого соединен с объединенными анодами диодов 18 и 19, а другой - с обьединенными катодами диодов 20 и 21. Катод диода 18 и анод диода 20 объединены и образуют первый вход 24 блока 1, который соединен с первым входным выводом 12 устройства. Анод диода 22 и катод диода 23 объединены и образуют вход 26 блока 1, который соединен с вторым входным выводом 13 устройства, Катоды диодов 18 и 22 объединены и образуют первый вьход 25, э аноды объединенных диодов 21 и 23 образуют второй выход 27 блока 1.Блоки накопления энергии и деления напряжения 2 и 3 содержат по несколько цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных неуправляемого вентиля 28, конденсатора 29 и неуправляемого вентиля 30, Точки соединения конденсатора 29 и анода вентиля 28 первой цепочки и конденсатора 29 и катода вентиля 30 последней цепочки образуют соответственно первый 32 и второй 33 входные выводы в каждом из блоков 2 и 3. Разноименные обкладки конденсаторов 29 смежных цепочек соединены через неуправляемый вентиль 31. Катоды вентилей 28 в каждом блоке 2 и 3 объединены и образуют первый выходной вывод 35, Аноды вентилей 30 в каждом блоке 2 и 3 также объединены и образуют второй выходной вывод 34,Блок коммутации цепи заряда 4 содержит цепочку, состоящую из последовательно включенных управляемого ключа 36, неуправляемого диода 37 и управляемого ключа 38. Точка соединения анода диода 37 и одного вывода ключа 38 образует первый вывод 39 блока 4, Точка соединения катода диода 37 и о цного вывода ключа 36 образует второй вывод 40 блока 4. Другие выводы ключей 36 и 38 образуют соответственно третий 41 и четвертый 42 выводы блока 4.Вывод 25 блока 1 соединен с выводом 32 блока 2 и с вь 1 водом 41 блока 4. Вывод 27 блока 1 соединен с выводом 33 блока З,и с выводом 42 блока 4, Вывод 33 блока 2 соединен с выводом 39 блока 4, вывод 40 которого соединен с выводом 32 блока 3, Выводы 35 блока 2 и 34 блока 3 соответственно через ключи 5 и 6 соединены с обьединенными выводами 13 и 15,которые соединены с одними из выводов конденсаторов 9 и 10, другие выводы которых соответственно соединены с выводом 14, через ключ 7 с выводом 35 блока 3 (конденсатор 9) и с выводом 16 и через ключ 8 с выводом 34 блока 2 (конденсатор 10), Управляющие электроды 4349 управляемых ключей соединены с блоком управления 11, входные выводы 50 и 51 которого соединены с выводами 12 и 13 устройства соответственно,Фазная (Ф) шина источника переменного напряжения подключается к выводу 12,.а нейтраль (0) - к выводу 13, Две последовательно включенные нагрузки с общей точкой подключаются своими свободными концами к выводам 14 и 16, а общей точкой - к выводу 15,Управляемые ключи могут быть выполнены по общеизвестным схемам.Блокуправления 11, реализующий алгоритм управления (фиг,З), может быть выполнен по общеизвестным схемам на цифровых элементах,Устройство работает следующим образом,Фаза (Ф) источника переменногона- пряжения подключается к входному выводу 12, а нейтраль (0) - к входному выводу 13. Нагрузки подключаются к выходным выводам 14 и 16, а общая точка их соединения - к выводу 15.В установившемся режиме на конденсаторах 29 (блоков 2 и 3), 9 и 10 имеется напряжение, полярность которого указана на фиг.1, Полярность вывода 14 относительно общего вывода 15 - положительная, а полярность вывода 16 - отрицательная,С момента 11(фиг,2 и 3) и.до момента т 2 ключи 17, 36 и 38 открыты, а ключи 5,6,7 и 8 закрыты. В это время зарядЬконденсаторы 29 блоков 2 и 3 через блок 1 и блок 4 по своим зарядным цепям подзаряжаются токамиа и Ьз(Ь = Ь 2+ Ьз), Токи а и Ьз равны, так как равны токи нагрузок и сформированйые блоком 4 две цепи заряда конденсаторов 29 блоков 2 и 3 идентичны. Конденсаторы 29 блока 2 подзаряжаются током за по цеФи: вывод 12 - вы вод 24 - диод 20 - ключ 17 - диод 19 - вывод 25 - вывод 32 - посл едовател ьно включен н ые через вентили 31 конденсаторы 29 блока 2 - вывод 33 - вывод 39 - ключ 38 - вывод 42, - вывод 27. - диод 23 - вывод 26 - вывод 13, а конденсаторы 29 блока 3 подзаряжаются током Ьз по цепи: вывод 12 - вывод 24- диод 20 - ключ 17 - диод 19 - вывод 25 - вывод 41 - ключ 36 - вывод 40 - вывод 32 - последовательно включенные через вентили 31 конденсаторы 29 блока 3 - вывод 33 - вывод 27- диод 23 - вывод 26 - вывод 13. К концу заряда каждый конденсатор блоков накопления энергии и деления напряжения зарядится до.напряжения, равного 1/и части от5 половины амплитудного значения Ог, напряжения 01, так как каждый из блоков 2 и3 содержит и (и = 1,2,3) конденсаторно-диодных цепочек, В течение времени заряда Ьи последующего времени задержки тзад на 10 пряжения Он на нагрузках поддерживаютвыходные конденсаторы 9 и 10,С момента т 2 после задержки для полного закрывания ключей 17, 36 и 38 открываются ключи 5,6,7 и 8, происходит разряд15 конденсаторов блоков 2 и 3 на соответствующие конденсаторы 10 и 9 для их подзарядаи нагрузки, Все конденсаторы 29 блока 2параллельно и одновременно(каждый черезсвои разрядные вентили 28 и 30) будут в20 течение времени разряда тр разряжаться напараллельно соединенные конденсатор 10 исоответствующую нагрузку по цепи; конденсатор 29 - вентиль 28 - вывод 35 - ключ 5 -вывод 15 - конденсатор 10 и нагрузка -25 вывод 16 - ключ 8 - вывод 34 - вентиль 30 -конденсатор 29. При этом форма напряжения О на выходном конденсаторе 10 и одной из нагрузок будет такой, как указано нафиг,2, а полярность этого напряжения отно 30 сительно общего вывода (общей точки нагрузок) будет отрицательной, Таким кеобразом будут разряжаться конденсаторыблока 3 через свои разрядные вентили иоткрытые ключи 7 и 6 на конденсатор 9 и35 другую нагрузку, создавая на них напряжение такой ке формы, но положительной полярности. С учетом времени задержки(фиг,З) для полного закрывания ключей 58длительность этого первого цикла (такта) за 40 ряд-разряд от момента 11 до момента 1 з будет равна тз+ тр+ 21 эад = ТИ С момента 1 зи до момента 1 б в этот же положительныйполупериод преобразуемого напряжениябудет осуществляться второй цикл работы.45 Его отличие от первого состоит в том, что втечение всего цикла ключи 36 и 38 блока 4замкнуты, а цепь заряда конденсаторов 29блоков 2 и 3 общая и осуществляется черездиод 37 блока 4. При этом сохраняется дли 50 тельность цикла и обеспечивается тот жекоэффициент трансформации напряжения(2 п конденсаторов осуществляют делениеамплитудного значения напряжения сети),С момента Ь и до момента тт будет происхо 55 дить третий цикл заряд-разряд, аналогичный первому. В отрицательный полупериодпреобразуемого напряжения также будеттри цикла заряд-разряд конденсаторов блоков накопления энергии и деления напряжения. Работа преобразователя будетотличаться только цепью прохождения тока заряда через блок преобразования рода тока 1: вывод 13 - вывод 26 - диод 22 - вывод 25 - цепь заряда конденсаторов 29 блоков 2 и 3. - вывод 27 - диод 21 - ключ 17 - диод 18 - вывод 24 - вывод 12. Четвертый (от т 7 до 19) и шестой (от 111 до 113) циклы аналогичны первому и третьему циклам, апятый цикл (от и до 111) аналогичен второму. За период преобразуемого напряжения осуществляется шесть циклов заряд-разряд конденсаторов реактивной части преобразователя с одинаковой длительностью циклов, равной Т/6.Таким образом, преобразователь переменного напряжения в постоянное с двумя выходными напряжениями разной полярности является двухполупериодным шеститактным. Его частота преобразования в три раза выше, чем у прототипа, а длительность цикла заряд-разряд в три раза меньше. Поэтому при одинаковых входных и выходных параметрах суммарная емкость реактивной части преобразователя по сравнению с прототипом будет в три раза меньше, и, следовательно, меньше масса и объем реактивной части и преобразователя в целомКроме улучшения массогабаритных показателей устройство по сравнению с прототипом обладает еще и следующими преимуществами.Общий входной и выходной вывод позволяет использовать преобразователь в любых сетях, в том числе и с заземленной нейтралью, что расширяет область применения.Лучше используется первичный источник из-за более высокого коэффициента мощности устройства, Это позволяетуменьшить требуемую установленную мощность первичного источника, Следовательно, уменьшится масса и объем как первичного источника, так и системы электропитания в целом.Частота пульсаций выходных напряжений в 3 раза выше, чем у прототипа. По первой гармонике она равна 61 сти, Поэтому при дальнейшем сглаживании пульсации дополнительное фильтрующее устройство будет иметь меньшие массу и объем.Формула изобретения Преобразователь переменного напряжения в постоянное с двумя выходными напряжениями разной полярности, содержащий первый и втопой выходные выводы для подключения источника питания, первый, второй и третий выходные выводы для подключения двух последовательно соединенных нагрузок, два конденсаторных блока накоплеия энергии и деления напряжения, каждый из которых имеет первый и второй входные и выходные выводы, а также первый и второй выходные управляемые 5 ключи и блок управления управляемымиключами, выполненный обеспечивающим в течение каждого периода питающего напряжения переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряд-разряд кон денсаторов конденсаторных блоков накопления энергии и деленйя напряжения, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов, 15 в него дополнительно введены блок преобразования рода тока, блок коммутации цепи заряда, первый и второй дополнительные управляемые ключи, а также первый и второй конденсаторы, причем блок преобразо вания рода тока содержит шесть диодов иуправляемый ключ, при этом катод первого диодаи анод второго диода соединены и образуют первый вход указанного блока, который подключен к первому входному выво ду преобразователя, анод первого диодасоединен с одним выводом упомянутого управляемого ключа и анодом третьего диода, другой вывод указанного ключа соединен с катодами второго и четвертого диодов, анод 30 пятого и катод шестого диодов соединены иобразуют второй вход блока, который подключен к второму входному выводу преобразователя, катодытретьего и пятого диодов соединены и образуют первый вы ход, аноды четвертого и шестого диодов соединены и образуют второй выход указанного блока, блок коммутации цепи заряда выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных первого 40 коммутирующего управляемого ключа, диода и второго коммутирующего управляемого ключа, при этом соединенные вместе анод диода и один вывод второго коммутирующего управляемого ключа образуют первый 45 вывод, соединенные вместе катод упомянутого диода и один вывод первого коммутирующего управляемого ключа образуют второй вывод, а свободные выводы первого и второго коммутирующих управляемых 50 ключей образуют соответственно третий ичетвертый выводы указанного блока, при этом первый выход блока преобразования рода тока соединен с первым входным выводом первого блока накопления энергии и 55 деления напряжения и с третьим выводомблока коммутации цепи заряда, второй выход блока преобразования рода тока соединен с вторым входным выводом второго блока накопления энергии и деления напряжения и с четвертым выводом блока коммутации цепи заряда, второй входной вывод первого блока накопления энергии и деления напряжения соединен с первым выводом блока коммутации цепи заряда, второй вывод которого соединен с первым входным выводом второго блока накопления энергии и деления напряжения, первый выходной вывод кОторого через первый выходной управляемый ключ соединен с первым выходным выводом преобразователя и одним вывбдом первого конденсатора, другой вывод которого соединен с объединенными вторым входньм и вторым выходным выводами преобразователя, к которым подключен один вывод второго конденсатора, другой вывод которого соединен с третьим выходным выводом преобразователя и че рез второй выходной управляемый ключ совторым выходным выводом первого блока накопления энергии и деления напряжения.первый выходной вывод которого и второй выходной вывод второго блока накопления 10 энергии и деления напряжения соответственно через первый и второй дополнительные управляемые ключи соединены с вторь 1 м выходным выводом преобразователя,,Ципле ройзводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 аказ 2602 ВНИИПИ Госуда Тиражвенного комитета113035, Москва, Ж Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ СС35, Раушская наб 4/5