Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока

 

Использование: изобретение относится к преобразовательной электротехнике и предназначено для использования в качестве высокочастотного источника питания. Сущность изобретения: целью изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя путем совмещения в нем функций преобразования постоянного питающего напряжения как в постоянное, так и в переменное напряжение, что достигается незначительным усложнением схемы. При этом преобразователь выполняется по двухтактной схеме, что позволяет значительно снизить намагничивающий ток в трансформаторе и размеры преобразователя. Схема преобразователя имеет в своем составе два встречно-параллельно включенных управляемых вентиля, зашунтированных диодами и подключенных к двум последовательно соединенным источникам питания, резонансный контур, включенный между точками соединения вентилей и источников питания, высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого подключена и к зажимам конденсатора резонансного контура. Вторичная обмотка трансформатора, выполненная с нулевым выводом, подключена к нагрузке через управляемые коммутаторы. Параллельно вторичной обмотке включен выпрямительный мост, во вторую диагональ которого включен управляемый шунтирующий элемент. 5 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к статическим преобразователям, и предназначено для использования в качестве высокочастотного источника питания.

Известны однотактные схемы статических преобразователей с последовательным резонансным контуром и квазирезонансной коммутацией тока, работающие в двухполупериодном режиме [1,2] Схемы меют источник питания, нагрузку, фильтр низких частот, сформированный по меньшей мере из дросселя и конденсатора, для фильтрации сигнала, подаваемого к нагрузке, и двунаправленный (управляемый только в прямом направлении протекания тока) однотактный полупроводниковый переключатель, который периодически переводится в рабочее и нерабочее состояние. В рабочем состоянии полупроводниковый переключатель соединяет резонансные конденсатор и дроссель, образуя контур для подачи зарядного тока к конденсатору. При нулевом значении зарядного тока переключатель переводится в нерабочее состояние, что соответствует паузе в кривой тока.

Частота включения однотактного переключателя изменяется в пределах от нуля до управляющей (F_y), которая выбирается меньшей, чем резонансная частота ( где C_p и L_p емкость и индуктивность резонансных конденсатора и дросселя соответственно) с целью обеспечения паузы между рабочими состояниями переключателя.

Достоинствами рассматриваемых преобразователей являются бестоковое выключение управляемых полупроводниковых переключателей и естественная коммутация. Это обеспечивает высокую надежность коммутации и существенно снижает потери на выключение, что особенно важно при работе на повышенных частотах.

К недостаткам преобразователей можно отнести то, что схемы выполнены однотактными, а на выходе может быть получено только постоянное напряжение.

На фиг. 10 в [2] показана схема преобразователя, которую можно использовать в качестве прототипа. В составе преобразователя имеется источник постоянного напряжения, последовательный LC-резонансный контур, подключенный к положительному полюсу источника через управляемый вентиль, шунтированный диодом. Первичная обмотка трансформатора включена параллельно конденсатору резонансного контура, а вторичная через сглаживающий фильтр к нагрузке. Параллельно вторичной обмотке включен шунтирующий элемент.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей преобразователя путем совмещения в нем функций преобразования постоянного питающего напряжения как в постоянное, так и переменное при небольшом усложнении схемы. Преобразователь выполняется по двухтактной схеме, что позволяет значительно снизить намагничивающий ток в трансформаторе и размеры преобразователя в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство-прототип вводится второй источник постоянного напряжения, включенный последовательно с первым, а также второй управляемый вентиль, шунтированный диодом. Через него резонансный контур подключается к отрицательному полюсу второго источника. Вводятся также два переключателя, каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, через которые начало и конец вторичной обмотки трансформатора подключены к одному выводу нагрузки. Вторичная обмотка трансформатора имеет нулевой вывод, подключенный ко второму выводу нагрузки, а шунтирующий элемент выполнен в виде диодного моста, в диагональ которого включен управляемый вентиль, шунтированный диодом.

Структурная схема универсального преобразователя приведена на фиг. 1. На фиг. 2а; 3а; 4а даны диаграммы переключений тиристоров; кривые тока и напряжения на конденсаторе, напряжений на вторичной обмотке трансформатора и на нагрузке на фиг. 2б; 3б; 4б. На фиг. 5 приведена структурная схема системы управления преобразователем.

Схема имеет в своем составе два встречно-параллельно включенных управляемых вентиля 1 и 2, шунтированных диодами, подключенных к двум последовательно соединенным источникам питания 3 и 4, причем управляемый вентиль 1, шунтированный диодом, присоединен к "+" источника 3, а вентиль 2 - к "-" источника 4 питания. Резонансный контур, состоящий из дросселя 5 и конденсатора 6, размещен между общей точкой соединения двух вентилей 1 и 2 и источников питания 3 и 4. На зажимах резонансного конденсатора 6 имеется высокочастотный трансформатор 7 с выводом нулевой точки на вторичной обмотке. Вводятся также два коммутатора, каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных управляемых вентилей 8-11, общая точка соединения которых и нулевой вывод вторичной обмотки трансформатора через фильтр, состоящий из дросселя 13 и конденсатора 14, подключены к нагрузке 15. Имеется шунтирующий элемент, выполненный в виде диодного моста из диодов 16-19, в диагональ которого включен управляемый вентиль 20; 21 шунт напряжения, 22-23 шунты тока.

Рассмотрим принцип работы универсального преобразователя в режиме стабилизации и регулирования постоянного напряжения (импульсного преобразователя постоянного напряжения).

В момент t₁ (фиг. 2 а, б) управляемый вентиль, шунтированный диодом (например, 1) переводится в рабочее состояние. Ток i_c протекает через вентиль в прямом (t₁-t₂) и через диод в обратном (t₂-t₃) направлениях. При этом на конденсаторе образуется положительная волна напряжения (полярность обозначена на фиг. 1 без скобок), которая через трансформатор 7, тиристор 8 и фильтр 13, 14 подается на нагрузку 15. Для обеспечения в кривой напряжение паузы t_n(t₃-t₄), что соответствует нерабочему состоянию вентиля с диодом, ток замыкается через диоды 16 и 19, вентиль 20. По истечении времени паузы включается вентиль 2. Полярность напряжения на конденсаторе U_c и обмотках трансформатора дана на фиг. 1 в скобках. На конденсаторе формируется отрицательная волна напряжения, которая с помощью тиристора 11 инвертируется и подается через фильтр на нагрузку. На нагрузке создается постоянное регулируемое за счет изменения длительности паузы или стабилизированное напряжение, а частота на выходе регулируется частотой чередования работы 1 и 2.

Рассмотрим принцип работы универсального преобразователя в режиме преобразования постоянного напряжения в регулируемое по частоте и амплитуде переменное.

При включении вентилей 1 и 8 (фиг. 3) (полярность напряжения на конденсаторе обозначена в скобках) формируется положительная волна напряжения, а при включении вентилей 2 и 9 отрицательная, которые через фильтр подаются на нагрузку. На нагрузке формируется переменное напряжение, регулируемое за счет изменения длительности паузы. На интервале паузы в кривой U_c (в зависимости от направления тока в индуктивности 13) ток замыкается через диоды 16, 20, 19 или 17, 20, 18.

При одновременном включении вентилей 1, 10 (фиг. 4), а после паузы - вентилей 2, 11 на конденсаторе формируются положительная и отрицательная волны напряжения, которые с помощью вентилей 10 и 11 инвертируются и подаются через фильтр на нагрузку.

Схема преобразователя и система управления им может быть реализована на отечественной элементной базе.

В качестве примера рассмотрим структурную схему системы управления преобразователем, работающим в режиме импульсного преобразования постоянного напряжения (фиг. 5). Сигналы с датчика напряжения 24 и генератора опорного напряжения 25 сравниваются на нуль органе 26 и поступает на формирователи импульсов 28-31 управления тиристорами 1, 2, 8, 11. С целью недопущения одновременного проводящего состояния тиристоров 1 и 2, а также 8 и 11 введены шунты тока 22, 23, сигналы с которых поступают на 32, 33.

Предлагаемый универсальный преобразователь может быть использован для питания оборудования медицинской передвижной лаборатории "Айболит".

Источники информации 1. К.Н. Liu и др. Квазирезонансные преобразователи топология и характеристики.

IEEE Transaction on Power Еlectronics, т. PE-2, N 1, 1987, с. 62-71.

2. Lee. Квазирезонансные преобразователи с переключением при нулевом токе, работающие в двухполупериодном режиме. Патент США N 4720667, НКИ 323-271.

Формула изобретения

Статический преобразователь с квазирезонансной коммутацией тока, содержащий источник постоянного напряжения, последовательный LC-резонансный контур, подключенный к положительному полюсу источника через управляемый вентиль, шунтированный диодом, и трансформатор, первичная обмотка которого включена параллельно конденсатору резонансного контура, а вторичная через сглаживающий фильтр к нагрузке, причем параллельно вторичной обмотке включен шунтирующий элемент, отличающийся тем, что в него введен второй источник постоянного напряжения, включенный последовательно с первым, и второй такой же управляемый вентиль, шунтированный диодом, как и первый, через который резонансный контур подключен к отрицательному полюсу второго источника, два переключателя, каждый из которых состоит из двух встречно-параллельно включенных управляемых вентилей, через которые начало и конец вторичной обмотки трансформатора подключены к одному выводу нагрузки, причем вторичная обмотка трансформатора имеет нулевой вывод, подключенный к второму выводу нагрузки, а шунтирующий элемент выполнен в виде диодного моста, в диагональ которого включен управляемый вентиль.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5