преобразователь постоянного напряжения в переменное

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий первый, второй, третий и четвертый транзисторные ключи, входы управления которых подключены к соответствующим выходам блока управления, выход первого транзисторного ключа подключен к катоду первого диода и первому выводу первой обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к катоду второго диода и выходу четвертого транзисторного ключа, а также входную и общую шины, отличающийся тем, что введены первый и второй трансформаторы, первые выводы первичных обмоток которых объединены и подключены к входной шине, вторые выводы их подключены соответственно к выходам второго и третьего транзисторных ключей, входы которых объединены с входами первого и четвертого транзисторных ключей и точка их соединения подключена к общей шине, к которой подключены через вторичную обмотку первого трансформатора анод первого диода, а через вторичную обмотку второго трансформатора анод второго диода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение синусоидальной формы, например, в автомобильной технике.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены соответственно к выходам первого и второго ключей, входы которых объединены и через первый датчик тока подключены к первому входу преобразователя, второй вход которого подключен к средней точке первичной обмотки трансформатора, управляющие входы первого и второго ключей подключены соответственно к выходу первого блока управления, вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу выпрямительного моста, к первому выходу которого подключены первый вывод конденсатора и первый вход мостового преобразователя напряжения, второй выход выпрямительного моста подключен к общей шине, ко второму выводу конденсатора и через второй датчик тока ко второму входу мостового преобразователя напряжения, каждая ветвь которого содержит транзисторный ключ, выходы первого и второго транзисторных ключей объединены и подключены к первому входу мостового преобразователя напряжения, ко второму входу которого подключены объединенные входы третьего и четвертого транзисторных ключей, вход первого и выход третьего транзисторных ключей объединены и подключены к первому выходу преобразователя постоянного напряжения в переменное, ко второму выходу которого подключены объединенные вход второго и выход четвертого транзисторных ключей, управляющие входы транзисторных ключей мостового преобразователя напряжения подключены к выходам второго блока управления соответственно /см. патент США 4706177, НКИ 363-24, 1987/.

Недостатками преобразователя являются наличие двухступенчатой системы преобразования (предварительное преобразование постоянного низкого напряжения в высокое постоянное напряжение), большие габариты из-за наличия конденсатора большой емкости и низкая надежность, обусловленная большим количеством управляемых ключей, низкое КПД за счет использования двухступенчатой системы преобразования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий во второй ступени преобразования первый, второй, третий и четвертый транзисторные ключи, зашунтированные первым, вторым, третьим и четвертым диодами соответственно, управляющие входы транзисторных ключей подключены к управляющим входам преобразователя, выход первого и вход второго транзисторных ключей объединены и подключены к первому выводу первой индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй индуктивности, второй вывод которой подключен к точке соединения выхода четвертого и входа третьего транзисторных ключей, причем выходы второго и третьего транзисторных ключей объединены и точка их соединения подключена к первому выводу второго конденсатора и к первой выходной шине выпрямительного моста, входы первого и четвертого транзисторных ключей объединены и точка их соединения подключена ко второму выводу второго конденсатора, ко второй выходной шине выпрямительного моста и к общей шине /см. патент ЕР 0617503, Н 02 М 67/5387, 1996/.

Недостатками преобразователя являются наличие двухступенчатой системы преобразования (необходимо предварительное преобразование), большие габариты из-за наличия конденсатора большой емкости, низкое КПД за счет использования двухступенчатой системы преобразования.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД, уменьшение габаритов.

Технический результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий первый, второй, третий и четвертый транзисторные ключи, входы управления которых подключены к соответствующим выходам блока управления, выход первого транзисторного ключа подключен к катоду первого диода и к первому выводу первой обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к первому выводу второй обмотки дросселя, второй вывод которой подключен к катоду второго диода и к выходу четвертого транзисторного ключа, а также входную и общую шины, введены первый и второй трансформаторы, первые выводы первичных обмоток которых объединены и подключены к входной шине, вторые выводы их подключены соответственно к выходам второго и третьего транзисторных ключей, входы которых объединены с входами первого и четвертого транзисторных ключей и точка их соединения подключена к общей шине, к которой подключены через вторичную обмотку первого трансформатора анод первого диода, а через вторичную обмотку второго трансформатора анод второго диода.

Введение первого и второго трансформаторов в преобразователь постоянного напряжения в переменное, подключение первичных его обмоток между входной шиной преобразователя и выходами второго и третьего транзисторных ключей и подключение вторичных обмоток трансформаторов параллельно первому и четвертому транзисторным ключам, объединение входов транзисторных ключей позволяют использовать дроссель в качестве источника тока и дополнительно подзаряжать выходной конденсатор. Такое решение позволяет отказаться от двухступенчатой системы преобразования, что повышает КПД устройства, отказаться от наличия в схеме преобразователя конденсатора большой емкости, что значительно уменьшает габариты устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема преобразователя напряжения постоянного в переменное (синусоидальной формы), на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу (на фиг. 2а, б, в, г - соответственно управляющие сигналы на входах первого, второго, третьего и четвертого транзисторных ключей; на фиг.2д - напряжение на выходе преобразователя), на фиг.3 представлен пример выполнения блока управления, на фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 транзисторные ключи, входы которых объединены и подключены к общей шине 13 преобразователя, входная шина 12 которого подключена к точке соединения первых выводов первичных обмоток первого 7 и второго 8 трансформаторов, вторые выводы первичных обмоток трансформаторов 7 и 8 подключены соответственно к выходам второго 2 и третьего 3 транзисторных ключей, выходы первого 1 и четвертого 4 транзисторных ключей подключены соответственно через первую 9" и вторую 9" обмотки двухобмоточного дросселя 9 к выходным выводам 14"и 14" преобразователя, к которым параллельно подключен конденсатор 10, выходы первого 1 и четвертого 4 транзисторных ключей подключены соответственно через встречно включенные первый 5 и второй 6 диоды к первым выводам вторичных обмоток первого 7 и второго 8 трансформаторов, вторые выводы которых подключены к общей шине 13, управляющие входы транзисторных ключей 1-4 подключены к соответствующим выходам блока 11 управления.

Блок 11 управления содержит трансформатор 15, первичная обмотка 15" которого подключена к входным зажимам источника питания блока управления, к первому выводу вторичной обмотки 15" его подключен катод первого диода 16, аноды второго 17 и третьего 18 диодов, второй вывод первой вторичной обмотки 15" трансформатора 15 объединен с первым выводом второй вторичной обмотки 15""" и через первый резистор 22 подключен к катоду второго диода 17, через второй резистор 23 подключен к катоду четвертого диода 20, второй вывод второй вторичной обмотки 15""" трансформатора 15 подключен к анодам четвертого 20 и пятого 21 диодов и к катоду шестого диода 19, анод которого соединен с анодом первого диода 16 и точка их соединения подключена к общей шине, катоды третьего 18 и пятого 21 диодов объединены и точка их соединения подключена к первому входу блока 24 сравнения, ко второму входу которого подключен выход генератора 25 пилообразного напряжения, выход блока 24 подключен ко входу инвентора 26, выход которого подключен к первым входам первого 27 и второго 28 элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к катодам второго 17 и пятого 21 диодов, выходы первого 27 и второго 28 элементов И подключены соответственно к входам первого 29 и второго 30 элементов И-НЕ, первый и второй выходы первого элемента И-НЕ 29 являются соответственно первым и вторым выходами блока 11 управления, первый и второй выходы второго элемента И-НЕ 30 являются соответственно третим и четвертым выходами блока 11 управления

Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусиодальной формы работает следующим образом.

Блок 11 управления вырабатывает импульсы управления, которые поступают на входы транзисторных ключей 1-4 в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.2а-г.

В течение интервала времени t₀-t_п происходит формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения на конденсаторе 10.

В течение всего интервала времени t₀-t_п транзисторный ключ 4 открыт, а транзисторный ключ 3 заперт.

В момент времени t₀ в соответствии с поданными сигналами от блока 11 управления на управляющие входы транзисторных ключей 1-4 ключ 1 закрывается, а ключ 2 открывается. Ток течет от источника 12 через первичную обмотку трансформатора 7, ключ 2 к общей шине 13. В соответствии с фазировкой обмоток на вторичной обмотке трансформатора 7 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника питания и коэффициенту трансформации, которое через первый диод 5 и первую обмотку 9" дросселя 9 заряжает конденсатор 10 до некоторой величины напряжением положительной полярности, далее ток через вторую обмотку 9" дросселя, транзисторный ключ 4 замыкается на общую шину 13.

В момент времени t₁ транзисторный ключ 2 закрывается, а ключ 1 открывается. При этом дроссель 9 будет являться источником тока. Ток дросселя 9 продолжает протекать в том же направлении и дозаряжать конденсатор 10 через открытый ключ 4, общую шину 13, открытый ключ 1.

В момент времени t₂ транзисторный ключ 1 закрывается, а транзисторный ключ 2 открывается - процессы повторяются до наступления времени t_п. При этом длительность открытого состояния транзисторного ключа 2 увеличивается в соответствии с алгоритмом формирования нарастающего участка синусоидального напряжения.

По достижении середины интервала времени t₀-t_п длительность открытого состояния транзисторного ключа 2 достигает максимального значения и далее до конца интервала уменьшается в соответствии с алгоритмом формирования спадающего участка синусоидального напряжения.

В момент времени t_п заканчивается этап формирования положительной полуволны выходного напряжения.

На интервале времени t_п-t_к происходит формирование отрицательной полуволны выходного синусоидального напряжения на конденсаторе 10.

При этом в течение всего интервала времени t_п-t_к транзисторный ключ 1 открыт, а транзисторный ключ 2 заперт. Транзисторные ключи 3 и 4 работают аналогично транзисторным ключам 2 и 1 соответственно, как при формировании положительной полуволны выходного напряжения.

Ток течет от источника 12 через первичную обмотку трансформатора 8, ключ 3 к общей шине 13. В соответствии с фазировкой обмоток на вторичной обмотке трансформатора 8 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника 12 питания и коэффициенту трансформации, которое через второй диод 6 и вторую обмотку 9" дросселя заряжает конденсатор 10 до некоторой величины напряжением отрицательной полярности, далее ток через первую обмотку 9" дросселя 9, транзисторный ключ 1 замыкается на общую шину 13.

В момент времени t_п1 транзисторный ключ 3 закрывается, а ключ 4 открывается. При этом дроссель 9 будет являться источником тока. Ток дросселя 9 продолжает протекать в том же направлении и дозаряжать конденсатор 10 через открытый ключ 1, общую шину 13, открытый ключ 4.

В момент времени t_п2 транзисторный ключ 4 закрывается, а транзисторный ключ 3 открывается - процессы повторяются до наступления времени t_к. При этом длительность открытого состояния транзисторного ключа 3 увеличивается в соответствии с алгоритмом формирования спадающего участка синусоидального напряжения.

По достижении середины интервала времени t_п-t_к длительность открытого состояния транзисторного ключа 3 достигает максимального значения и далее до конца интервала уменьшается в соответствии с алгоритмом формирования нарастающего участка синусоидального напряжения.

В момент времени t_к заканчивается этап формирования отрицательной полуволны выходного напряжения.

Предложенное техническое решение позволяет отказаться от двухступенчатой системы преобразования и получить преобразование низкого постоянного напряжения в высокое переменное за одну ступень преобразования, что значительно повышает КПД устройства, кроме того, повышается надежность преобразователя, т. к. сокращается количество управляемых ключей, уменьшаются габариты его ввиду отсутствия коденсатора большой емкости.