способ работы преобразователя постоянного напряжения в переменное и устройство для выполнения способа

Формула изобретения

1. Способ работы электронно-управляемого преобразователя постоянного напряжения в переменное, который содержит положительный (1) и отрицательный (2) полюсы источника постоянного напряжения, первый (3), второй (7) и третий (13) конденсаторы, дроссель (6), диод (8), первый (5), второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели, первый (14) и второй (15) выходы и отдельные переключающие элементы которого действуют как SEPIC-преобразователь, отличающийся тем, что во время формирования положительной полуволны выходного переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора (9) поступает электрическая энергия (в виде тока), накопившаяся в дросселе (6), а во время формирования отрицательной полуволны выходного переменного напряжения к первичной обмотке трансформатора прикладывается энергия, запасенная во втором конденсаторе (7), кроме того, преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели, действующие как синхронный выпрямитель, функционирующий в обеих полуволнах выходного переменного напряжения, при этом цепи постоянного входного напряжения преобразователя гальванически развязаны от цепей выходного переменного напряжения преобразователя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что посредством микроконтроллера в течение положительной полуволны выходного переменного напряжения второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются только в том интервале времени, когда первый полупроводниковый переключатель (5) выключен, а в течение отрицательной полуволны выходного переменного напряжения второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются только в том интервале времени, когда первый полупроводниковый переключатель (5) включен, при этом первый (5), второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются импульсным образом, кроме того, второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются и выключаются только одновременно.

3. Устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее положительный (1) и отрицательный (2) полюсы источника постоянного напряжения, первый (3), второй (7) и третий (13) конденсаторы, дроссель (6), диод (8), первый (5), второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели, первый (14) и второй (15) выходы преобразователя постоянного напряжения в переменное, отличающийся тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное включает в себя синхронный выпрямитель, выполненный на втором (10) и третьем (12) полупроводниковых переключателях, представленных в качестве полевых транзисторов с n-каналом, первые входы (истоки полевых транзисторов с n-каналом) которых соединены между собой, при этом выход (сток полевого транзистора с n-каналом) третьего полупроводникового переключателя (12) соединен с первым выводом (14) выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное, а выход (сток полевого транзистора с n-каналом) второго полупроводникового переключателя (10) через вторичную обмотку трансформатора (9) соединен со вторым выводом (15) выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное, при этом управление вторым (10) и третьим (12) полупроводниковыми элементами осуществляется с помощью второго драйвера (11), первый выход которого соединен с первыми входами (истоки полевых транзисторов с n-каналом) второго (10) и третьего (12) полупроводниковых переключателей, а второй выход - со вторыми входами (затворы полевых транзисторов с n-каналом) второго (10) и третьего (12) полупроводниковых переключателей, кроме того, первый вывод вторичной обмотки трансформатора (9) соединен с анодом диода (8) и через второй конденсатор (7) - со вторым выводом дросселя (6), а также с выходом (стоком полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5), первый вывод дросселя (6) соединен с положительным полюсом (1) источника постоянного напряжения и катодом диода (8), второй вывод первичной обмотки трансформатора (9) соединен с первым входом (исток полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5) и отрицательным полюсом (2) источника постоянного напряжения, причем первый выход первого драйвера (4), управляющего первым полупроводниковым переключателем (5), соединен с первым входом (исток полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5), а его второй выход - со вторым входом (затвор полевого транзистора n-канала) первого полупроводникового переключателя (5), при этом трансформатор (9) обеспечивает гальваническую изоляцию цепей постоянного входного напряжения преобразователя от цепей выходного переменного напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования постоянного напряжения в переменное при разработке различных устройств автоматики.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное (патент РФ № 2402146, Н02М 7/501 от 08.04.2009 г.), в котором выход задающего генератора подключен к делителю частоты, состоящему из двух двоичных счетчиков, двух декодеров/демультиплексоров, первого и второго диодов и транзисторного инвертора, при этом выходы одного из счетчиков подключены к адресным входам декодеров/демультиплексоров, вход управления первого декодера/демультиплексора подключен к выходу младшего разряда второго двоичного счетчика, вход управления второго декодера/демультиплексора подключен к выходу транзисторного инвертора, вход которого подключен к выходу младшего разряда второго двоичного счетчика, вход второго двоичного счетчика подключен к катодам первого и второго диодов, аноды которых подключены к выходам максимальных разрядов соответственно первого и второго декодеров/демультиплексоров, выходы которых подключены к анодам полупроводниковых диодов, катоды которых подключены к затворам силовых полевых транзисторов, коммутирующих соответствующие отводы первичной обмотки выходного силового трансформатора.

Основным недостатком известного преобразователя является сложная реализация схемы управления, снижающая его надежность.

В качестве прототипа выбран способ работы преобразователя постоянного напряжения в переменное и устройство для выполнения способа (патент РФ № 2354034, Н02М 7/42 от 11.07.2005 г.), характеризующийся тем, что преобразователь постоянного напряжения в переменное в течение положительной полуволны выходного переменного напряжения регулируется таким образом, что он работает по типу SEPIC-преобразователя, а в течение отрицательной полуволны выходного переменного напряжения регулируется таким образом, что он работает по типу CUK-преобразователя.

Основным недостатком данного способа работы является то, что для его реализации используется мостовая схема из четырех полупроводниковых переключателей, снижающая надежность преобразователя, кроме того, в известном преобразователе отсутствует гальваническая изоляция цепей входного постоянного напряжения от цепей выходного переменного напряжения.

Заявляемое изобретение направлено на повышение функциональной надежности и расширение функциональных возможностей преобразователя постоянного напряжения в переменное, известного из предшествующего уровня техники.

В соответствии с изобретением указанная задача решается в предлагаемом способе таким образом, что преобразователь постоянного напряжения в переменное во время формирования выходного переменного напряжения действует как SEPIC-преобразователь таким образом, что во время формирования положительной полуволны выходного переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора поступает электрическая энергия (в виде тока), накопившаяся в дросселе, а во время формирования отрицательной полуволны выходного переменного напряжения к первичной обмотке трансформатора прикладывается энергия, запасенная во втором конденсаторе, кроме того, преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит второй и третий полупроводниковые переключатели, действующие как синхронный выпрямитель, функционирующий в обеих полуволнах выходного переменного напряжения, при этом цепи постоянного входного напряжения преобразователя гальванически развязаны от цепей выходного переменного напряжения преобразователя.

Предпочтительным является, если посредством микроконтроллера в течение положительной полуволны выходного переменного напряжения второй и третий полупроводниковые переключатели включаются только в том интервале времени, когда первый полупроводниковый переключатель выключен, а в течение отрицательной полуволны выходного переменного напряжения второй и третий полупроводниковые переключатели включаются только в том интервале времени, когда первый полупроводниковый переключатель включен, при этом первый, второй и третий полупроводниковые переключатели включаются импульсным образом, кроме того, второй и третий полупроводниковые переключатели включаются и выключаются только одновременно.

Также в соответствии с изобретением указанная задача решается в предлагаемом устройстве преобразования постоянного напряжения в переменное таким образом, что в устройство включен синхронный выпрямитель, выполненный на втором и третьем полупроводниковых переключателях, представленных в качестве полевых транзисторов с n-каналом, первые входы (истоки полевых транзисторов с n-каналом) которых соединены между собой, при этом выход (сток полевого транзистора с n-каналом) третьего полупроводникового переключателя соединен с первым выводом выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное, а выход (сток полевого транзистора с n-каналом) второго полупроводникового переключателя через вторичную обмотку трансформатора соединен со вторым проводником выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное, при этом управление вторым и третьим полупроводниковыми элементами осуществляется с помощью второго драйвера, первый выход которого соединен с первыми входами (истоки полевых транзисторов с n-каналом) второго и третьего полупроводниковых переключателей, а второй выход - со вторыми входами (затворы полевых транзисторов с n-каналом) второго и третьего полупроводниковых переключателей, кроме того, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с анодом диода и через второй конденсатор - со вторым выводом дросселя, а также с выходом (стоком полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя, первый вывод дросселя соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения и катодом диода, второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с первым входом (исток полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя и отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, причем первый выход первого драйвера, управляющего первым полупроводниковым переключателем, соединен с первым входом (исток полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя, а его второй выход - со вторым входом (затвор полевого транзистора n-канала) первого полупроводникового переключателя, при этом трансформатор обеспечивает гальваническую изоляцию входных цепей постоянного напряжения от выходных цепей переменного напряжения.

На фиг.1 показана схема электрическая принципиальная преобразователя постоянного напряжения в переменное, реализующая данный способ работы.

На фиг.2 показаны временные диаграммы, отражающие принцип работы преобразователя.

На фиг.3 показаны временные диаграммы, на которых отражен принцип формирования переменного напряжения квазисинусоидальной формы.

На фиг.1 показано:

1 - положительный полюс источника постоянного напряжения;

2 - отрицательный полюс источника постоянного напряжения;

3 - первый конденсатор;

4 - первый драйвер;

5 - первый полупроводниковый переключатель;

6 - дроссель;

7 - второй конденсатор;

8 - диод;

9 - трансформатор;

10 - второй полупроводниковый переключатель;

11 - второй драйвер;

12 - третий полупроводниковый переключатель;

13 - третий конденсатор;

14 - первый вывод выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное;

15 - второй вывод выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное.

На фиг.2 показано:

16 - управляющий сигнал первого драйвера;

17 - эффективное напряжение на трансформаторе (9), сформированное воздействием управляющего сигнала (16) первого драйвера (4) на первый полупроводниковый переключатель (5) и управляющего сигнала (18) или (20) на второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели;

18 - управляющий сигнал второго драйвера (11), противофазный управляющему сигналу (16) первого драйвера (4);

19 - выходное напряжение, полученное при условии, что управляющий сигнал (16) первого драйвера (4) и управляющий сигнал (18) второго драйвера (11) находятся в противофазе;

20 - управляющий сигнал второго драйвера (11), синфазный управляющему сигналу (16) первого драйвера (4);

21 - выходное напряжение, полученное при условии, что управляющий сигнал (16) первого драйвера (4) и управляющий сигнал (20) второго драйвера (11) синфазны.

На фиг.3 показано:

22 - выходное переменное напряжение;

23 - управляющий сигнал первого драйвера (4);

24 - управляющий сигнал второго драйвера (11).

Показанный на фиг.1 преобразователь постоянного напряжения в переменное включает в себя синхронный выпрямитель, выполненный на втором (10) и третьем (12) полупроводниковых переключателях, представленных в качестве полевых транзисторов с n-каналом, первые входы (истоки полевых транзисторов с n-каналом) которых соединены между собой, при этом выход (сток полевого транзистора с n-каналом) третьего полупроводникового переключателя (12) соединен с первым выводом (14) выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное, а выход (сток полевого транзистора с n-каналом) второго полупроводникового переключателя (10) через вторичную обмотку трансформатора (9) соединен со вторым проводником (15) выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное, при этом управление вторым (10) и третьим (12) полупроводниковыми элементами осуществляется с помощью второго драйвера (11), первый выход которого соединен с первыми входами (истоки полевых транзисторов с n-каналом) второго (10) и третьего (12) полупроводниковых переключателей, а второй выход - со вторыми входами (затворы полевых транзисторов с n-каналом) второго (10) и третьего (12) полупроводниковых переключателей, при этом между первым (14) и вторым (15) выводами выхода преобразователя постоянного напряжения в переменное включен третий конденсатор (13), кроме того, первый вывод вторичной обмотки трансформатора (9) соединен с анодом диода (8), и через второй конденсатор (7) - со вторым выводом дросселя (6), а также с выходом (стоком полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5), первый вывод дросселя (6) соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения (1) и катодом диода (8), второй вывод первичной обмотки трансформатора (9) соединен с первым входом (исток полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5) и отрицательным полюсом источника постоянного напряжения (2), причем первый выход первого драйвера (4), управляющего первым полупроводниковым переключателем (5), соединен с первым входом (исток полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5), а его второй выход - со вторым входом (затвор полевого транзистора n-канала) первого полупроводникового переключателя (5), при этом между положительным (1) и отрицательным (2) полюсами источника постоянного напряжения включен первый конденсатор (3), кроме того, трансформатор (9) обеспечивает гальваническую изоляцию входных цепей постоянного напряжения от выходных цепей переменного напряжения.

Управление первым (5), вторым (10) и третьим (12) полупроводниковыми элементами осуществляется микроконтроллером (на фигурах не показан).

В соответствии с изобретением, в течение положительной полуволны выходного переменного напряжения второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются только в том интервале времени, когда первый полупроводниковый переключатель (5) выключен, а в течение отрицательной полуволны выходного переменного напряжения второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются только в том интервале времени, когда первый полупроводниковый переключатель (5) включен, при этом первый (5), второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются импульсным образом, кроме того, второй (10) и третий (12) полупроводниковые переключатели включаются и выключаются только одновременно.

На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения посредством импульсного переключения первого (5), второго (10) и третьего (12) полупроводниковых переключателей.

Способ работы преобразователя постоянного напряжения в переменное осуществляется следующим образом.

Во время ненулевого управляющего сигнала (16) первого драйвера (4) первый полупроводниковый переключатель (5) замкнут, и преобразователь постоянного напряжения в переменное принимает электрическую энергию от входного источника постоянного напряжения, накапливающуюся в дросселе (6). А к первичной обмотке трансформатора (9) прикладывается запасенная на втором конденсаторе (7) энергия, формируя тем самым отрицательную полуволну выходного переменного напряжения.

При размыкании первого полупроводникового переключателя (5) накопленная в дросселе (6) энергия через первичную обмотку трансформатора (9) передается во вторичную обмотку трансформатора (9), заряжая при этом частично (или полностью) разрядившийся второй конденсатор (7), формируя тем самым положительную полуволну выходного переменного напряжения.

Таким образом, на трансформаторе (9) формируется сигнал (17), полученный при одновременном воздействии управляющего сигнала (16) первого драйвера (4) на второй вход (затвор полевого транзистора с n-каналом) первого полупроводникового переключателя (5) и любого из управляющих сигналов (18) или (20) второго драйвера (11), поступающих на вторые входы (затворы полевого транзистора с n-каналом) второго (10) и третьего (12) полупроводниковых переключателей, функционирующих как синхронный выпрямитель. Одинаковая форма сигнала (17) трансформатора (9) как при формировании положительного выходного напряжения, так и при формировании отрицательного выходного напряжения достигается введением между первым выводом первичной обмотки трансформатора (9) и положительным полюсом (1) источника постоянного напряжения диода (8), который после размыкания первого полупроводникового элемента (5) удерживает потенциал первого вывода первичной обмотки трансформатора (9) равным потенциалу положительного полюса (1) источника постоянного напряжения.

Таким образом, если управляющий сигнал (18) второго драйвера (11) находится в противофазе с управляющим сигналом (16) первого драйвера (4) на всем интервале времени, то на первом (14) и втором (15) выводах формируется положительное постоянное напряжение (19). И наоборот, когда управляющий сигнал (20) второго драйвера (11) синфазен с управляющим сигналом (16) первого драйвера (4) на всем интервале времени, то на первом (14) и втором (15) выводах формируется отрицательное постоянное напряжение (21).

Принцип формирования выходного переменного (квазисинусоидального) напряжения представлен на фиг.3. При формировании положительной полуволны выходного переменного напряжения (22) управляющий сигнал (23) первого драйвера (4) находится в противофазе с управляющим сигналом (24) второго драйвера (11), а при формировании отрицательной полуволны выходного переменного напряжения (22) управляющий сигнал (10) первого драйвера (4) синфазен с управляющим сигналом (24) второго драйвера (11), причем интенсивность и скважность ненулевых управляющих сигналов (23, 24) первого (4) и второго (11) драйверов, формируемых управляющим микроконтроллером, зависит от мощности, потребляемой нагрузкой преобразователя.

Заметим, что на фиг.3 приведен пример получения квазисинусоидального сигнала, в то время как, управляя скважностью и интенсивностью управляющих сигналов первого (4) и второго (11) драйверов, возможно формирование переменных сигналов любой формы.