Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения - повышение электромагнитной совместимости и качества выходного напряжения. Преобразователь содержит m фаз транзисторных преобразовательных ячеек 1-3, выполненных по нулевой схеме на двух транзисторах 31,32 и подключенных по цепи питания через дроссели 19, 20, шунтированные диодами 22 и 23. Блок 13 управления содержит m генераторов 33 - 35 развертывающего напряжения и m фазосдвигающих узлов 36-38, управляемых микропроцессором 18. Микропроцессор 18 реализует необходимые коды управления в соответствии с текущим значением сигналов на выходе датчиков входного напряжения 14, потребляемого тока 15 и выходного напряжения 16 по заданной программе. Например , заряд емкостного накопителя 11 может производиться в режиме стабильного потребляемого тока, затем в режиме постоянства мощности и затем в режиме стабилизации выходного напряжения на заданном уровне. 3 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Н 02 M 3/337

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г 1 1 (21) 4798178/07 (22) 15.01.90 (46) 15.05.92. Бюл. ¹ 18 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) В.В,Грюнвальд, Г.Я.Михальченко и

Д.В.Толстобров (53) 621.314.58(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 692033, кл. Н 02 М 5/12, 1975, Авторское свидетельство СССР

¹ 1293803, кл. Н 02 М 3/335, 1985, (54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ. ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания. Цель изобретения — повышение электромагнитной совместимости и качества выходного напряжения. Преобразователь содержит m фаз транзисторных преобразовательных ячеек 1-3, выполненных по нулевой схеме на двух транзисторах 31, 32 и подключенных по цепи питания через дроссели 19, 20, шунтированные диодами 22 и 23. Блок 13 управления содержит m генераторов 33 - 35 развертывающего напряжения и m фазосдвигающих узлов 36 — 38, управляемых микропроцессором 18. Микропроцессор 18 реализует необходимые коды управления в соответствии с текущим значением сигналов на выходе датчиков входного напряжения 14, потребляемого тока 15 и выходного напряжения 16 по заданной программе. Например, заряд емкостного накопителя 11 может производиться в режиме стабильного потребляемого тока, затем в режиме постоянства мощности и затем в режиме стабилизации выходного напряжения на заданном уровне. 3 ил, 1734174

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах Вт высоковольтных источниках радиоэлектронной аппаратуры, в источниках питания квантовых генераторов, ускорителях заряженных частиц, в тех случаях, когда требуется быстродействующее регулирование выходного напряжения и повышенная электромагнитная совместимость преобразователя с питающей сетью и нагрузкой.

Известны импульсные высоковольтные преобразователи с многозонной модуляцией, содержащие m по числу зон трансформаторных преобразовательных ячеек, включенных по входу параллельно, а по выходу последовательно и через m высоковольтных трансформаторов и выпрямителей, подключенные к емкостному накопителю с нагрузкой. Такие преобразователи позволяют снизить величину коммутируемых токов перезаряда емкости высоковольтного трансформатора за счет снижения импульсной составляющей переменного напряжения и приведенной емкости..

Однако эти токи сохраняются, несмотря на снижение их амплитуды, и при высоких коэффициентах трансформации по-прежнему превышают номинальные значения тока в десятки раз.

Наиболее близким к предлагаемому является многофазный высоковольтный преобразователь постоянного напряжения, содержащий m по числу фаз транзисторных преобразовательных ячеек, одни из силовых выводов которых через фильтр подключены к источнику питания, выходы каждой ячейки соединены с первичной обмоткой соответствующего высоковольтного трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого выполнены в виде отдельных секций, к вторичным обмоткам подключены конденсаторы и мостовые выпрямители, выходы которых соединены последовательно и подключены к емкостному накопителю с нагрузкой, а управляющие входы транзисторов преобразовательных ячеек связаны со схемой управления.

Такой преобразователь позволяет сформировать на вторичных обмотках трансформатора многофазную систему синусоидальных напряжений. Для этого вторичные обмотки трансформаторов шунтированы высоковольтными конденсаторами, образующими с емкостью и индуктивностью трансформатора колебательный контур, собственная частота которого совпадает с частотой преобразования, Недостатками такого устройства являются сравнительно низкая электромагнит10 ние выходного напряжения, а его качество определяется числом преобразовательных

15 ячеек(числом фаз), от числа которых зависят

55 ная совместимость с питающей сетью из-за значительных величин внутренних параметров трансформатора, не позволяющих получить нулевое значение коммутируемого ключевым преобразователем тока. Причем при резонансном напряжении в колебатель-. ном контуре циркулируют максимальные по величине токи, дополнительно загружающие ключевые элементы, трансформатор и сеть.

Кроме того, энергоемкие контуры затрудняют быстродействующее регулироваи внутренние параметры трансформатора.

Увеличение числа ячеек сопровождается улучшением качества выходного напряжения и снижением паразитных параметров трансформатора, т,е, увеличением его резонансной частоты, что требуется увеличения емкости дополнительного конденсатора и, в свою очередь, сопровождается ростом коммутируемого тока и снижением быстродействия регулирования.

Цель изобретения — повышение электромагнитной совместимости и качества выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в высоковольтный преобразователь постоянного напряжения, содержащий m фаз транзисторных преобразовательных ячеек, силовые входные выводы которых через фильтр подключены к входным выводам преобразователя, к выходу каждой транзисторной преобразовательной ячейки подключена первичная обмотка высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена в виде отдельных секций; к которым подключены мостовые выпрямители, выходами соединенные между собой согласно последовательно и подключенные к выходным выводам преобразователя, шунтированным емкостным накопителем, а управляющие цепи транзисторных преобразовательных ячеек соединены с выходами блока управления, введены датчики входного и выходного напряжений и потребляемого тока, высоковольтный делитель напряжения, микропроцессор с управляющими и информационными входами, m дросселей и

m диодов, при этом каждая транзисторная преобразовательная ячейка выполнена на двух транзисторах, эмиттеры которых обьединены и подключены к первому выходному выводу фильтра, при этом каждый транзистор шунтирован RCO-цепочкой, а коллекторы транзисторов соединены с крайними выводами первичной обмотки высоковольт1734174

55 ного трансформатора, отвод от средней точки которой через дроссель, шунтированный встречно включенным диодом, соединен с вторым выходным выводом фильтра, причем блок управления выполнен с m-канальным выходом, его каждый канал содержит последовательно соединенные генератор развертывающего напряжения и фазосдвигающий узел, один из выходов всех m фазосдвигающих узлов объединены и соединены с выходом микропроцессора, информационные входы которого соединены с выходами датчиков входного и выходного напряжений и потребляемого тока, а вход датчика выходного напряжения подключен к емкостному накопителю через высоковольтный делитель напряжения.

На фиг.1 представлена структурная схема многофазного высоковольтного преобразователя; на фиг,2 — один из вариантов схемы управления; на фиг.3 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя в режиме воспроизведения линейно нарастающего сигнала ошибки, Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения содержит m транзисторных преобразовательных ячеек 1 — 3, силовые входные выводы которых через фильтр 4 подключены к входным выводам преобразователя. К выходу каждой транзисторной преобразовательной ячейки подключена первичная обмотка высоковольтного трансформатора 5 — 7, вторичная обмотка которого выполнена в виде отдельных секций, к которым подключены мостовые выпрямители 8 — 10, выходами соединенные между собой согласно последовательно и подключенные к выходным выводам преобразователя, шунтированным емкостным накопителем 11 с нагрузкой 12, Управляющие входы транзисторов преобразовательных ячеек соединены с входами блока 13 управления. В преобразователь введены датчики входного напряжения 14, потребляемого тока 15 и выходного напряжения 16, высоковольтный делитель 17, микропроцессор 18 с управляющим и информационными входами, дроссели 19 — 21 и диоды 22 — 24. Каждая транзисторная преобразовательная ячейка выполнена на двух транзисторах 31 и 32, эмиттеры которых объединены и подключены к первому выходному выводу фильтра, Каждый транзистор шунтирован RCD-цепями 26 — 27 и

28-30, Коллекторы транзисторов соединены с крайними выводами первичной обмотки W1.1, W1.2 высоковольтного трансформатора, отвод от средней точки которой через дроссель 19, шунтированный встречно включенным диодом 22,. соединен

45 с вторым выходным выводом фильтра 4.

Блок 13 управления выполнен с m-канальным выходом, его каждый канал содержит последовательно соединенные генераторы

33 — 35 развертывающего напряжения и фа- . зосдвигающий узел 36 — 38, одни из входов всех и фазосдвигающих узлов объединены и соединены с выходом микропроцессора, информационные входы которого соединены с выходами датчиков напряжения 14, 16 и тока 15. Датчик 16 подключен к емкостному накопителю 11 через высоковольтный делитель 17 напряжения.

На фиг,2 приведен один из возможных вариантов цифровой m-канальной схемы 13 управления, где функции генераторов 33 — 35 (фиг.1) развертывающих напряжений (кодов) выполняют двоичные счетчики 40 — 41, тактирующий вход которых связан с одним из выходов микропроцессора (в общем случае к этим входам счетчиков может быть подключен автономный задающий генератор 30), а функции фазосдвигающего узла— постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) 42, 43, соответствующие выходы которых, объединенные через логические элементы И вЂ” НЕ 44, 45, образуют выходы схемы управления.

На фиг.3 обозначены позиции: 46— входной управляющий сигнал схемы управления (выходной управляющий код микропроцессора 18); 47 — 49 — выходные сигналы генераторов развертывающих напряжений

33 — 35 соответственно; 50-52 — выходные сигналы счетчиков 40, 41 соответственно;

53 — 54 — выходные напряжения одного канала схемы управления (выходов а, Ь на фиг.1);

55 — ток в дросселе 19; 56 — ток, потребляемый одной транзисторной преобразовательной ячейкой, например, 1; 57— напряжение на обмотках трансформатора

5; 58 — то же, при постоянном сигнале 46 управления; 59 — выходное напряжение мостового выпрямителя 8; 60 — то же, мостового выпрямителя 9; 61 — напряжение емкостного накопителя 11.

На фиг,2 показан один из возможных вариантов реализации схемы 13 управления (NclloëüçóåT меньшее количество элементов) на основе счетчиков 41, 43 и постоянных запоминающих устройств 42, 43, в которой функции генератора развертывающего напряжения и цифрового компаратора совмещены, Функции, выполняемые микропроцессором 18,,изложены ниже при описании работы преобразователя, а конкретная реализация программы в машинных кодах может быть различной.

1734174

15

25

Принцип работы преобразователя рассмотрим на примере воспроизведения на выходе преобразователя линейно нарастающего сигнала 46 управления (фиг,3).

B соответствии с программой микропроцессор реализует необходимые коды управления в соответствии с текущим значением сигналов датчиков напряжения

14, 16 и тока 15. Например, он реализует программу заряда накопителя 11 в режиме стабилизации потребляемого тока, затем— в режиме постоянства мощности и, наконец, при достижении напряжения накопителя заданной величины — стабилизацию его на этом уровне. При этом многофазная система развертывающих напряжений 47 — 49 на выходах генераторов 33 — 35 поступает на один из входов фазосдвигающих узлов 3638, на другие объединенные входы которых подается управляющий сигнал 46. На выходах элементов сравнения этих узлов (выходах счетчиков 40, 41) действуют сигналы

50 — 52, фронт и срез которых определяются моментами равенства управляющего и развертывающих напряжений (кодов), На выходах же фазосдвигающих узлов 36 — 38 формируются управляющие напряжения (напряжения 53, 54 фазосдвигающего узла

36) вдвое меньшей частоты, которые поступают на управляющие входы транзисторных преобразовательных ячеек (на базы транзисторов 31, 32 ячейки 1), В соответствии с текущей длительностью этих напряжений транзисторы 31, 32 поочередно включаются и выключаются. Так, в интервале времени от 0 до t> открыт транзистор 31, при этом обмотка И1.1 трансформатора 5 подключается к источнику питания через дроссель 19, величина которого определяет скорость нарастания тока нагрузки (тока заряда емкостного накопителя 11). В момент времени 11транзистор закрывается, запираются диоды выпрямителя 8 и начинается свободный процесс перезаряда емкости высоковольтногоо трансформатора. Пусть к этому моменту времени ток 55 достиг указанного на фиг,3 значения. При выключении транзистора этот ток будет сохранять свою величину примерно постоянной. Процесс перераспределения этого тока отражен диаграммой 56 на фиг.3. В интервале времени ti — t2 ток в цепи источника питания спадает по мере перезаряда емкости трансформатора и емкости защитной RCD-цепи, а ток в диоде 22 нарастает до установившегося значения. Кроме того, емкость трансформатора частично перезаряжается током индуктивности трансформатора, однако собственная частота этого контура значительно ниже, поэтому при достижении напряжения на обмотке трансформатора величины напряжения на емкостном накопителе диоды выпрямителя 8 вновь открываются и напряжение 57 ограничивается на этом уровне, Если бы напряжение 46 управления было постоянным, что соответствовОло Gbl постоянной длительности импульсоп 50, напряжение 57 оставалось бы постоянным по амплитуде, как показано на фиг.3 пунктирной линией 58. В момент времени тз включается транзистор 32 и первичная полуобмотка трансформатора Wi.z подключается к источнику питания. Диод 22 запирается и ток в дросселе 19 снова нарастает. При выключении транзистора диоды выходного выпрямителя закрываются и вновь происходит свободный перезаряд емкости трансформатора (интервал времени

ts — t4), Далее процессы повторяются до тех пор, пока управляющий сигнал 46 не превысит амплитуду развертывающих напряжений 47 — 49 (или выходной код микропроцессора 18 не достигнет своего максимального значения). На выходе мостового выпрямителя действует напряжение 59 с минимальными пульсациями s моменты смены полярности напряжения на трансформаторе 5. Аналогично с учетом фазового сдвига 2 x m работают другие ячейки. Так, на фиг.3 представлено выходное напряжение 60 выпрямителя 9. Напряжение 61 на емкостном накопителе 11 равно сумме этих напряжений и изменяется в соответствии с управляющим сигналом 46, Работа цифровой схемы 13 управления по фиг.2 заключается в следующем, Тактовая частота с задающего генератора 39 подается на входы обратного счета счетчиков 40, 41 формирователей линейно убывающего кода, которые также являются формирователями адресов ПЗУ 42, 43 соответственно.

Счетчики устанавливаются в исходное состояние сигналами, поступающими с выхода заяма счетчика 40. при этом счетчик 40 устанавливается в состояние, соответствующее максим:.льному коду, а счетчик 41— соответствую цее управляющему коду, поступающему на входы предварительной установки счетчика 41 с выхода микропроцессора 18. Досчитав до нуля, счетчик 41 автоматически переходит в состояние максимального кода и продолжает считать до следующей установки в исходное состояние.

Таким образом, на выходах счетчиков

40, 41 формируется два линейно изменяющихся кода, причем код на выходе счетчика

40 отстает от кода на выходе 41, соответствующего коду, поступающему извне, а это

1734174

10 приводит к тому, что информация на выходе

ПЗУ сдвинута относительно информации на выходе ПЗУ 43 на то же время. В ПЗУ 43 записана идентичная информация, а именно m, по числу фаз последовательностей импульсов со скважностью 2, вдвинутых друг относительно друга на (2 zt /m) градусов. После перемножения информации с выходов ПЗУ 42, 43 на логических элементах

44, 45 формируются последовательности широтно регулируемых импульсов для управления m-фазным преобразователем с двухтактными транзисторными ячейками, Поскольку перед включением любого транзистора напряжение на обмотках трансформаторов 5 — 7 равно напряжению на накопителе 11, то практически полностью исключаются ударные токи перезаряда емкостей трансформатора, как это имеет мес то в известных ключевых преобразователях.

При этом необходимым условием является высокая частота контура перезаряда этой емкости, что достигается секционированием вторичных обмоток трансформатора до любой наперед заданной величины без увеличения количества ячеек. Свободный процесс перезаряда. емкости трансформатора при выключенных транзисторах позволяет не только повысить электромагнитную совместимость преобразователя с сетью и нагрузкой, но и создает условия амплитудного регулирования выходного напряжения. Это обусловлено тем, что изменение длительности проводящего состояния транзисторов сопровождается не только изменением длительности импульсов тока 56, но и пропорциональным изменением их амплитуды, Амплитудное регулирование на обмотках трансформатора обеспечивает высокое качество преобразования напряжения источника питания в регулируемое выходное импульсным преобразователем; Причем величина пульсаций практически не зависит от количества ячеек при m > 2.

Минимальные пульсации выходного напряжения 61 позволяют получать высокие коэффициенты усиления в контуре регулирования напряжения, обеспечивая тем самым высокую точность стабилизации и высокое быстродействие регулирования, так как в схеме преобразователя отсутствуют энергоемкие накопители энергии.

15

20 ния, отличающийся тем, что, с целью повышения электромагнитной совместимо25

Формула изобретения

Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения, содержащий m фаз транзисторных преобразовательных ячеек, силовые входные выводы которых через фильтп подключены к входным выводам преобразователя, к выходу каждой транзисторной преобразовательной ячейки подключена первичная обмотка высоковольтного трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена в виде отдельных секций, к которым подключены мостовые выпрямители, выходами соединенные между собой согласно последовательно и подключенные к выходным выводам преобразователя, шунтированным емкостным накопителем, а управляющие цепи транзисторных преобразовательных ячеек соединены с выходами блока управлести и качества выходного напряжения, введены датчики входного и выходного напряжений и потребляемого тока, высоковольтный делитель напряжения, микропроцессор с управляющими и информационными входами, m дросселей и

m диодов, при этом каждая транзисторная преобразовательная ячейка выполнена на двух транзисторах, эмиттеры которых объединены и подключены к первому выходному выводу фильтра, при этом каждый транзистор шунтирован RCD-цепочкой, а коллекторы транзисторов соединены с крайними выводами первичной обмотки высоковольтного трансформатора, отвод от средней точки которой через дроссель, шунтированный встречно включенным диодом, соединен с вторым выходным выводом фильтра, причем блок управления выполнен с m-канальным выходом, его каждый канал содержит последовательно соединенные генератор развертывающего напряжения и фазосдвигающий узел, один из входов всех фазосдвигающих узлов объединены и соединены с выходом микропроцессора, информационные входы которого-соединены с выходами датчиков входного и выходного напряжений и потребляемого тока, а вход датчика выходного напряжения подключен к емкостному накопителю через высоковольтный делитель напряжения.

1734174

Iа,р

Фиг У.

Составитель Г.Михальченко

Техред М.Моргентал Корректор Н,Ревская

Редактор М.Келемеш

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1674 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5