Преобразователь напряжения

тво ССС 1976, ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) 1, Патент Скл. Н 02 М 3/335,2. Авторское сУ 577630, кл. Н 03. Патент СШАкл, Н 02 М 7/537,(54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ,содержащий 2 п рекуперирующих диодови два плеча из и последовательно соединенных транзисторов, базы которыхподключены к формирователю импульсовуправления, входом подключенному кмодулятору импульсов, состоящемуиз генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения иодному из входов первого логического элемента И непосредственно, а кодному из входов второгологического элемента И через. элемент НЕ,приэтом вторые входы логичсских эле-ментов И объединены и подключены квыходу компаратора, первым входомсоединенного с генератором пилообразного напряжения, а вторым - с эталонным источником измеряемого напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повьвпения КПД, введены2 й дросселя и последовательный резонансный 1.С -контур, подключенный кточке соединения плеч транзисторов,при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча отточки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирующего диода, включенного в направленни протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя, коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры нижнего плеча, кроме последних,подсоединены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнегоплеча и отрицательной полярности длянижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечахсоединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов модулятора выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющийвход подключен к выходу датчика тока,соединенного последовательно с нагрузкой, которые подключены параллельно конденсатору ЬС -контура,10929Изобретение отчосится к преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых преобразователях напряжения и тока, в частности высокОвольтных преобразовате 5лях напряжения,Известно устройство, содержащееемкостный делитель, полумостовой преобразователь напряжения, два регулирующих диода, трансформатор, выпрямитель и фильтр 3Недостатком данного устройстваявляется пониженный КПД иэ-за наличия динамических потерь при переключении трансформаторов полумостово 15го преобразователя напряжения,Известное также устройство, содержащее цепочку из четырех согласнопоследовательно соединенных транзисторов, четырех диодов, трансформатора и нагрузки 1.23Недостаток указанного устройстваобусловлен пониженным КПД из-за наличия динамических потерь при переключении транзисторов.:)Наиболее близким к изобретению потехнической сущности является преобразователь напряжения, содержащий21 рекуперирующих диодов и два. плеча из и последовательно соединенных3 Отранзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератора прямоугольных импульсов,выход которого подключен к генерато- З 5ру пилообразного напряжения и одномуиз входов первого логического эле"мента И непосредственно, а к одномуиз входов второго логического элемента И через элемент НЕ, при этом фвторые входы логических элементов Иобъединены и подключены к выходукомпаратора, первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения а вторым - с эталонным ис- "5точником измеряемого напряжения 1.3",.Однако известный преобразовательтакже характеризуется низким КПД,так как транзисторы включаются ивыключаются при протекании через них 5"тока,Цель изобретения - поаышение КПДпреобразователя путем снижения динамических потерь в транзисторахпри переключении. 55Поставленная цель достигаетсятем, что в преобразователь напряжения, содержащий 21 рекуперирующих 1 2диодов н два плеча из 0 последовательно соединенных транзисторов, базы которых подключены к формирователю импульсов управления, входом подключенному к модулятору импульсов, состоящему из генератсра прямоугольных импульсов, выход которого подоключен к генератору пилообразного напряжения и одному из входов первого логического элемента И непосредственно, а к одному из входов второго логического элемента И через элемент НЕ, при этом вторые входы логических элементов И объединены и подключены к выходу компаратора,первым входом соединенного с генератором пилообразного напряжения а вторым - с эталонным источником измеряемого напряжения, введены 2 о дросселя и последовательный резонансный 1.С-контур, подключенный к точке соединения плеч транзисторов, при этом коллектор первого транзистора верхнего плеча и эмиттер первого транзистора нижнего плеча от точки соединения плеч через последовательную цепь из дросселя и рекуперирующего диода, включенного в направлении протекания входного тока, подключены к общему выводу преобразователя, коллекторы последующих транзисторов верхнего плеча и эмиттеры нижнего плеча, кроме последних, подсоединены через указанные цепочки к отводам от источника электропитания положительной полярности для верхнего плеча и отрицательной полярности для нижнего плеча, а коллекторы и эмиттеры последних транзисторов в плечах соединены с соответствующими источниками электропитания непосредственно через дроссель, при этом генератор прямоугольных импульсов моду" ляторд выполнен по схеме с автоподстройкой частоты и его управляющий вход подключен к выходу датчика тока, соединенного последовательно с нагрузкой, которые подключены параллельно конденсатору 1.С -контура.На фиг.1 приведена схема преобразователя напряжения; на фиг.2 - схема блока управления; на фиг.З и 4 - диаграммы работы преобразователя напряжения.Преобразователь напряжения состоит из 2 о согласно"последовательно соединенных транзисторов 1-1 - 1-и, 2-1 " 2-0, рекуперирующих диодов 3-1 - З-о, 4-1 - 4-п, 2 о индуктив3 10912 ностей 5-1 - 5-о, 6-1 в . 6-Р, последовательного резонансного ЬС -конту- ра 7, нагрузки 8, 2 й стабилитронов 9-1 - 9-п, 10-1 - 10-0, блока 11 уп- равления и датчика 12 тока. При этом эмиттер транзистора 1-1 соединен с коллектором транзистора 2-1 и входом последовательного резонансного И-контура 7, параллельно конденсатору которого подключены последователь О но соединенные датчик 12 тока и нагрузка 8. Катод диода 3-1 соединен с одним концо индуктивности 5-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-1 и эмиттера транзистора 1-2, а анод диода 3-1 соединен с общей точкой источника питания, причем параллельно индуктивности 5-1 подсоединен стабилитрон, катод которого соединен с катодом диода 3-1. Катод диода 3-2 соединен с одним концом индуктивности 5-2, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-2 и эмиттера транзистора 1-3, а анод диода 3-2 соединен с положительной клеммой источника питания +Е 1, причем параллельно индуктивности 5-2 подсоединен стабнлитрон, катод которого соединен с катодом диода 3-2. Катод диода 3-г 1 соединен с одним концом индуктивиости 5-0-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 1-Ьи эмиттера транзистора 1-п, а анод дио-З 5 да,3-п соединен с положительной клеммой источника питания +Е причем параллельно индуктивности 5-11-1 подсоединен стабилитрон 9-Ь У катод которого соединен с катодом диода 3-0, а коллектор транзистора 1-п соединен с одним концом индуктивности 5-й, второй конец которой соединен с положительной клеммой источника питания +Е , Параллельно индук 45Ьтивности 5-П подсоединен стабилитрон 9-ь, катод которого соединен с положительной клеммой источника питания +Е 1,. Анод диода 4-1 соединен с одним концом индуктивности 6-1, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора 2-2 и эмиттера транзистора 2-1, а катод диода 4-1 соединен с общей точкой источника питания, причем параллельно индуктивности 6-1 подсоединен стабилитрон 10-1, анод которого соединен с анодом диода 4-1. Анод дио 91 4 да 4-2 соединен с одним концом индуктивности 6-2, второй конец которой соединен с точкой соединения коллектора транзистора. 2-3 и эмнттера транзистора 2-2, а катод диода 4-2 соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е , причем параллельно индуктивности 6-2 подсоединенстабилитрон 10-2, анод которого соединен с анодом диода 4-. 2, Аноддиода 4-2 соединен с одним концоминдуктивности б-п, второй конецкоторой соединен с точкой соединенияколлектора транзистора 2-и и эмиттера транзистора 2-о, а катоддиода 4-й соединен с отрицательнойклеммой источника питания -Е ,причем параллельно нндуктивности6-йподсоединен стабилитрон10-0-1,анод которого соединен с анодом диода 4-п, эмиттер транзистора 2-и соединен с одним концоминдуктивности б-п, второй конец которойсоединен с отрицательной клеммой источника питания -Е, причем параллельно индуктивности 6-и подсоединен стабилитрон 10-п, анод которого соединен с отрицательной клеммой источника питания -Е, причем выходы управления соединены с базами транзисторов. Блок 11 управления состоит из модулятора 13 и формирователя 14 импульсов, причем модулятор 13 состоит из источника 15 эталонного напряжения, суммирующего усилителя 16, компаратора 17, генератора 18 пилообразного напряжения, генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, логической схемы И-НЕ 20, а также первой 21 и второй ,22 логических схем И. При этом выход источника 15 эталонного напряжения соединен с суммирующим входом суммирующего усилителя 16, вычнтающий вход которого соединен с регулирующим напряжением, выход суммирующего усилителя 16 соединен с первым входом компаратора 17, второй вход которого соединен с выходом генератора 18 пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, входом логической схемы И-НЕ 20 и вторым входом первой логической схемы И 21Выход компаратора 17 соединен с первыми входами первой 21 и второй 22109129 5логических схем И, а второй вход логической схема И 22 соединен с выходом логической схемы И-НЕ 20, причем выходы логических схем И 21 и 22соединены с входом формирователя 14 5импульсов, а вход генератора 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты, соединен с выходом датчика 12 тока.МоДулятор работает следующим образом.Генератор 19 прямоугольных импульсов с автоподстройкой частоты1,далее генератор прямоугольных импульсов 1 вырабатывает импульсы, поступающие на вход генератора 18 пилообразного напряжения. Автоподстройка частоты генератора 19 прямоугольных импульсов предназначена для подстройки частоты генератора под час Ототу последовательного резонансного1 С-контура 7. Генератор 18 пилообразного напряжения вырабатывает импульсы пилообразной формы (Фиг.36каждые полпериода колебаний, поступающих 5с генератора 18 прямоугольных импульсов 1 фиг,За ) . Выход генератора18 пилообразного напряжения соединенс одним входом компаратора 17, навторой вход которого поступает на- ЗОпряжение эталонного источника измеряемого напряжения с выхода суммирующего усилителя 6. На суммирующийвход суммирующего усилителя 16 поступает постоянное положительное напряжение с выхода источника 15 эталонного напряжения, а на вычитающийвход - регулирующее напряжение, величина которого изменяется от нулядо эталонного напряжения, Величинаэталонного напряжения выбираетсяравной максимальной амплитуде размаха пилообразного напряжения. Изме-няя величину входного напряжения,можно изменять величину выходногонапряжения на нагрузке 8, при этомобеспечивается прямая пропорциональ-ная зависимость между входным напряжением и напряжением на нагрузке 8,50 На выходе суммирующего усилителя 16 образуется напряжение, равное разности эталонного и входного напря" жений, которое поступает на первый вход компаратора 17, на второй вход которого поступает напряжение с выхода генератора 18 пилообразного напряжения. При достижении пилообразным напряжением уровня напряжения на выходе суммирующего усилителя 16 (фиг.Збна выходе компаратора 17 Формируется передний фронт импульса ( фиг.Зв ), включающего силовые транзисторы, Фронт выключения формируется фронтом импульса генератора 19 прямоугольных импульсов, Сформированный таким образом импульс поступает на вход логических схем И 21 и 22, которые обеспечивают поочередное открываниепоследовательно соединенных транзисторов, подсо диненных к источнику питания +Е илий к источнику питания -Е. Диаграммы работы модулятора 13 и напряжения на выходе логических элементов И 20 и 21 приведены на Фиг3, Импульсы, сформированныемодулятором 13,поступают на вход формирователя 14 импульсов, который создает импульсы управления, необходимые для правильной работы силовых транзисторов 1-1 - 1-О, 2-1 -2-И. Для этого все транзисторы, начиная с первого и до и -го включаются с задержкой и выключаются с той же задержкой Т3 (фиг.4 , что обеспечивает постоянным напряжение на закрытых транзисторах, равное Е 1 , где и - число транзисторов. Таким образом, каждый последующий включающий транзистор включается позже на время Т по сравнению с предыдущим; а каждый последующий выключающийся транзистор выключается на время 7 позжепредыдущего. На вход генератора 19 прямоугольных импульсов поступает сигнал с датчика 12 тока, который включен последовательно с нагрузкой 8, Этот сигнал заставляет частоту генератора 19 прямоугольных импульсов изменяться так, чтобы ток нагрузки 8 в момент выключения силового транзистора 1-2 или 2-2 был равен нулю, т,е. осуществляется автоподстройка частоты с точностью до фазы.Рассмотримработу преобразователя с четырьмя последовательно соединеннымн транзисторами, в случае, когда число источников питания равно двум (+Е. и -Е, ), а и =1.Пилообразное напряжение сравнивается компаратором с напряжением на выходе суммирущцего усилителя 16 фиг.Зг ), и при их совпадении образуется фронт импульса, который по129 8установившемся режиме надобность встабилитроне отпадает, В момент включения транзистора 1-2 или 2- 2 всенапряжение будет приложено к индуктивности 5-2 или 6-2, а ее сопротивление будет равно 109 г Е 20 25 30 35 45 Ъ7ступает на первые входы логическихсхем И 21 и 22 и в зависимости отнапряжения на вторых входах этихлогических схем через формирователь14 импульсов включает транзистор 1-2,соединенный с положительным источником питания +Е, либо транзистор2-2, соединенный с отрицательным источником питания -Е 1, Предположим,что включился транзистор 1-2 и одновременно выключился транзистор 2-1(при этом транзистор 1"1 открыт, атранзистор 2-2 закрыт ). Спад импульса управления формируется фронтом импульса с генератора 19 прямоугольных импульсов. На входе резонансного 1.С -контура появляется импульс положительной полярности. Вследующем такте открывается транзистор 2-2 и одновременно закрываетсятранзистор 1-1 (при этом транзистор2-1 открыт, а транзистор 1-2 закрыт)и формируется импульс отрицательнойполярности. Последовательность положительных и отрицательных импульсов (фиг.З ) поступает на вход последовательного резонансного 1,С-контура 7,. который выделяет первую гармонику сигнала (фиг.Зд ),Генератор 19 прямоугольных импульсов изменяет частоту таким образом, чтобы первая гармоника отставала от частоты прямоугольных импульсов, т.е. автоподстройка частотывносит фазовый сдвиг, который заставляет в установившемся режиме иметьвыключение транзисторов 1-2 и 2-2в момент равенства нулю тока черезнагрузку 8. При этом потери при выключении силовых транзисторов 1-2и 2-2 блиэкц к нулю. Введение дополнительных индуктивностей 5-1 -5,6-1 - 6-й, установленных последовательно в цепи источников питания+Е-+Еп, -Е 1 -Е , позволяет снизитьпотери при включении транзисторов.Параллельно каждой индуктивностиподключены соответственно стабилитроиы 9-1 - 9-о, 10-1 - 10-0, необходиже в первый момент работыпреобразователя напряжения дпя ограничения напряжения зкстроЭДС, развиваемой на индуктивности при неточной установке фазы и частоты генератора 19 прямоугольных импульсов. В В реальных случаях это составляет десятки и сотни килоом, и, следовательно, напряжение на транзисторе в момент его включения будет близким к нулю, а потери при включении минимальными.Выбор величины индуктивности производится в учетом крутизны фронта, В реальных транзисторах крутизна фронта составляет примерно 1 мкс. Приняв величину скорости изменения .ока 3/дф = 10 А/мкс, а напряжение источников питания 2 Е 1 и +Е.равным 100 В, и с учетом того, что - - 1 = 0 , определим величину ин- Ю3 Гдуктивностей 5-0, 6-0, которая будет равна 1 = 10 мкГн. При выключении транзистора индуктивность постарается поддержать ток через транзистор, т.е. поднять напряжение, но так как скорость изменения тока от)31 через индуктивность при наличии последовательного резонансногоС -контура 7 будет примерно в 20 раз меньше, то и напряжение на выключенном транзисторе увеличится всего лишь на 1/20 часть от исходного. При отсутствии последовательного резонансного 1.С -контура напряжение на закрытом транзисторе возросло бы по меньшей мере в два раза, что привело бы к увеличению потерь и компенсации выигрыша при включении за счет введения иидуктивностиТаким образом, введение индуктивностей и последовательного резонансного 1.С -контура приводит к снижению потерь при выключении и включении силовых транзисторов и тем саьым повышает КПД преобразователя напряжения.Тираж бб 7НИИПИ Государственного комитетапо делам изобретений и открыМосква, Ж, Раушская наб ПодписноеСССРийд, 4/5 13 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,Г-и Ел фЕ -Е -Ег -Ел 9 х Саве Составитель И. НикитинТехред И.Метелева Коррек