Перетворювач постійної однополярної напруги у двополярну

Реферат: UA 100367 U UA 100367 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі електротехніки, а саме до перетворювальної техніки, і може використана при створенні джерел вторинного електроживлення, при перетворенні енергії від вітрогенераторів і сонячних батарей та в інших пристроях силової електроніки. Відомим аналогом є перетворювач постійної напруги в дві імпульсні напруги протилежної полярності [1], який містить джерело постійної напруги у вигляді замкнутого кола із послідовно з'єднаних джерела живлення, двох токозадаючих елементів та опорного елемента, перемикач току та два повторювача напруги. Два входу перемикача току підключено до виводів опорного елемента, а його вихід - до нульової шини. Входи повторювачів напруги з'єднані з входами перемикача току, а їх виходи є виходами пристрою. Цей перетворювач може бути використаний для формування постійної двополярної вихідної напруги, але для цього він потребує додаткових фільтруючих елементів, які ускладнюють пристрій. Недоліком аналога є неможливість регулювання рівня двополярної вихідної напруги відносно напруги опорного елемента. Крім того, цей перетворювач не може бути використаний для міцних навантажень. Відомим аналогом є перетворювач вхідної однополярної у вихідну напругу різної полярності [2] (фіг. 1), який містить спільний ключ двох регуляторів знижувального та полярно-інвертуючого типів з спільною системою керування. Вихід ключа з'єднано через діод з елементами згладжувального фільтру регулятора знижувального типу, а саме, з діодом, та через обмотку дроселя з конденсатором. Вихід ключа також безпосередньо з'єднано з елементами згладжувального фільтра регулятора полярно-інвертуючого типу, а саме, з обмоткою дроселя та через діод з конденсатором. Обмотки окремих дроселів зглажувальних фільтрів регуляторів знижувального та полярно-інвертуючого типів розміщені на спільному осерді двообмоткового дроселя. Співвідношення рівнів напруги на різнополярних виходах перетворювача встановлюється шляхом регулювання коефіцієнту взаємоіндукції обмоток дроселя. Недоліками аналога є складність пристрою, яка пов'язана з наявністю двообмоткового дроселя, та неможливість оперативного регулювання співвідношення напруг на різнополярних виходах. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі є перетворювач однополярної напруги у двополярну [3] (фіг. 2). Перетворювач містить два послідовно з'єднаних ключові елементи на біполярних транзисторах VT1,VT2, дросель L, два фільтруючи конденсатори С1,С2 та схему керування у вигляді операційного підсилювача DA1 і трьох резисторів R1,R2,R3. Вільні виводи ключових елементів VT1,VT2 підключені до виводів джерела живлення, а точка їх з'єднання через дросель L - до вихідного загального виводу. Виводи кожного конденсатора С1,С2 підключені між одним з вихідних різнополярних виводів і загальною шиною. Вихід схеми керування DA1 підключений до з'єднаних разом керуючих входів ключових елементів VT1,VT2. Цей перетворювач формує дві послідовно з'єднані різнополярні напруги постійного струму на вихідних виводах відносно загального виводу шляхом поділу напруги джерела живлення на дві рівні частки. Тому у ньому принципово відсутня можливість регулювання рівня вихідної напруги або його стабілізація при коливаннях напруги джерела живлення. В основу корисної моделі поставлена задача розширення функціональних можливостей за рахунок регулювання рівнів вихідних різнополярних напруг та їх стабілізації в умовах коливання напруги джерела живлення. Поставлена задача вирішується тим, що в перетворювач постійної однополярної напруги у двополярну, який містить два послідовно з'єднані керовані односпрямовані ключі, вільні виводи яких підключені до вхідних виводів для під'єднання джерела живлення, а точка їх з'єднання через дросель - до вихідного загального виводу, два послідовно з'єднаних конденсатора, вільні виводи яких утворюють два потенційні вихідні виводи, а точка з'єднання підключена до загального вихідного виводу та схему керування, виходи якої підключені до керуючих входів ключів, додатково введені перші два діода, кожен з яких підключений у напрямку провідного стану між вхідним і потенційним вихідним виводами, котрі мають однакову полярність, та другі два діоди, кожен з яких підключений паралельно одному з ключів і спрямований інверсно по відношенню до провідного напрямку ключа. Досягнення нового технічного результату полягає у тому, що стає можливим: - сумісне або роздільне регулювання двох вихідних напруг протилежної полярності для отримання симетричних або асиметричних рівнів; - стабілізація вихідних напруг в умовах коливання напруги джерела живлення; - зниження динамічних втрат потужності в ключах і діодах завдяки трикутній формі струмів. 1 UA 100367 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований перетворювач (фіг. 3) містить вхідні виводи 1,2 для під'єднання джерела живлення, два послідовно з'єднані керовані односпрямовані ключі 3,4, дросель 5, два послідовно з'єднані конденсатори 6,7, перші два діоди 8,9, другі два діоди 10,11, схему керування 12 та потенційні вихідні виводи 13,14 із загальним виводом 15. Вільні виводи односпрямованих ключів 3,4 підключені до вхідних виводів 1,2, а точка їх з'єднання через дросель 5 - до вихідного загального виводу 15. Вільні виводи конденсаторів 6,7 підключені до потенційних вихідних виводів 13,14, а точка їх з'єднання - до загального вихідного виводу 15. Виходи схеми керування 12 підключені до керуючих входів односпрямованих ключів 3,4. Один з перших двох діодів 8 підключений у напрямку провідного стану між позитивними вхідним 1 і потенційним вихідним 13 виводами, а другий діод 9 - аналогічно між негативними вхідним 2 і потенційним вихідним 14 виводами. Другі два діоди 10,11 підключені паралельно відповідно до ключів 3,4 і спрямовані інверсно по відношенню до провідного напрямку цих ключів. У випадку використання в якості ключів 3,4 MOSFET транзисторів, в яких присутні внутрішні антипаралельні діоди, останні виконують роль діодів 10,11. Корисна модель пояснюється кресленнями, де: Фіг. 1 - схема пристрою, яка є аналогом; Фіг. 2 - схема пристрою, що використовується як найближчий аналог; Фіг. 3 - схема корисної моделі; На фіг. 4-13 зображені часові діаграми, що пояснюють роботу запропонованого пристрою: Фіг. 4 - сигнал з виходу схеми керування 12 до ключу 4; Фіг. 5 - сигнал з виходу схеми керування 12 до ключу 3; Фіг. 6 - струм дроселя 5; Фіг. 7 - напруга на дроселі 5; Фіг. 8 - струм ключу 4; Фіг. 9 - струм діоду 8; Фіг. 10 - струм діоду 10; Фіг. 11 - струм ключу 3; Фіг. 12 - струм діоду 9; Фіг. 13 - струм діоду 11; Фіг. 14 - графіки сімейства вихідних характеристик запропонованого пристрою; Фіг. 15 - графічні залежності потужності у навантаженні від коефіцієнту перетворення напруги. Процес перетворення в запропонованому пристрої (фіг. 3) виконується шляхом почерговій передачі енергії від джерела живлення на вхідних виводах 1,2 до позитивного вихідного виводу 13 на одному робочому півперіоді і до негативного вихідного виводу 14 на другому робочому півперіоді. Відповідно, функціонування ключа 3 та діодів 8,10, а також ключа 4 та діодів 9,11 відбувається почергово. В зв'язку з тим, що дросель 5 працює в умовах зміни напрямку струму від одного півперіоду до другого, накопичувана в ньому енергія повинна бути виведена до кінця чергового півперіоду. При цьому регулювання коефіцієнту перетворення відбувається за рахунок зміни тривалості накопичування енергії в дроселі, так що після виводу енергії виникають інтервали часу з відсутністю струму в дроселі. Таким чином, перетворення проводиться у переривчастому режимі. Робота елементів схеми, які приймають участь при формуванні напруги позитивній U01 або негативній U02 полярності на потенційних виходах 13,14 виконується однаковим чином, що дозволяє розглянути процес перетворення тільки для однієї, наприклад позитивної полярності. Також для спрощення умовно припускаємо, що елементи пристрою: ключі, діоди і дросель мають ідеальні характеристики, а різнополярні вихідні напруги мають однакові рівні  U01   U02  U0 . При надходженні від джерела живлення напруги E на вхідні виводи 1,2 кожен з конденсаторів 6,7 заряджається до початкової напруги, яка дорівнює половині вхідної напруги, тобто E / 2 . Згідно з сигналами керування, які надходять від схеми керування 12 (фіг. 4, 5), на півперіоді T / 2 формування напруги позитивної полярності, ключ 3 знаходиться в розімкнутому стані, а ключ 4 виконує підключення дроселя 5 до негативного вхідного виводу 2. На інтервалі t1 замкнутого стану ключа 4 (фіг. 4), в дроселі 5 виникає зростаючий з нульового значення струм (фіг. 6), завдяки якому в ньому накопичується енергія від джерела живлення. Струм протікає по ланцюгу: позитивний вхідний вивід 1, діод 8 (фіг. 9), конденсатор 6, 2 UA 100367 U дросель 5, ключ 4 (фіг. 8) та негативний вхідний вивід 2. На цій стадії струмом заряджається конденсатор 6 і формується позитивна напруга U0 на потенційному виході 13. До дроселя 5 з індуктивністю L прикладається напруга UL  E  U0  (фіг. 7) і на кінець інтервалу t1 амплітуда струму досягає значення: 5 ILm  10 E  U0  t1 . L (1) На інтервалі t 2 відбувається розмикання ключа 4 (фіг. 4), дросель 5 стає джерелом струму, а вивід енергії з нього відбувається спадаючим до нуля струмом (фіг. 6), який протікає в замкнутому ланцюгу: дросель 5, діод 10 (фіг. 10), діод 8 (фіг. 9) та конденсатор 6. На цьому інтервалі спадаючий струм також продовжує заряджати конденсатор 6. Напруга на дроселі 5 змінює знак і дорівнює UL  U0 (фіг. 7). Тривалість інтервалу t 2 спаду струму від амплітудного значення ILm до нуля визначається: t2  15 ILm  L . U0 Після підстановки виразу (1) до виразу (2) отримаємо співвідношення інтервалів: t2 E 1 M ,  1  t1 U0 M 20 25 (2) (3) де M  U0 / E - коефіцієнт перетворення напруги, значення якого лежать в межах: Mmin  M  Mmax . Значення коефіцієнту перетворення напруги M має обмеження знизу, яке виходить з того, що при розімкнутому стані ключів 3,4 діоди 8,9 не повинні проводити струм, тобто потрібно виконувати умову: U01  U02  E . При однакових рівнях U01  U02  U0 ця умова виглядає як 2U0  E і тому Mmin  U0 / E  0,5 . Амплітуда струму дроселя 5 і, відповідно, ключа 4 визначається відносною тривалістю його замкнутого стану D  t1 / T / 2 і з виразу (1) становить: ILm  ET  D  1  M . 2 L (4) Середнє значення вихідного струму у навантаження (постійна складова) при його трикутній формі з урахуванням (3),(4) визначається: 30 I0  ILm t1  t 2 E  T 2 1  M .   D  2 T 8 L M (5) Регулювання вихідного струму пристрою, як слід з виразу (5), виконується шляхом зміни параметру D , діапазон значень якого обмежений нерівністю: 0  D  Dmax . Максимальне значення параметру D  Dmax досягається у граничному режимі, при якому 35 пауза в струмі дроселя відсутня, тобто тривалість інтервалу t 3  0 , а сума інтервалів дорівнює: t1  t 2  T / 2 (Фіг. 6). Після підстановки в останнє рівняння виразу (3) маємо: Dmax  M . Вихідний струм навантаження (5) не може перевищувати свого значення у граничному режимі, тому вираз при умові Dmax  M приймає вид: I0.lim  ET  M  1  M . 8 L (6) 40 3 UA 100367 U Як видно з останнього виразу, максимальне можливе значення струму досягається при M  0,5 і виглядає: I0.max  5 I0 1 M .  4  D2  I0.max M 1 * I0 4 D 25 2 . (9) 1 Залежності (9), утворені при різних значеннях параметра D , обмежені зверху максимальними значеннями, які вони приймають при граничному режимі струму дроселя, тобто при D  Dmax  M і тому з виразу (9) виходить: Mmax  20 * 1  1  I0 . На фіг. 14 суцільними лініями наведено сімейство залежностей (9) при різних значеннях D  0,3; 0,5; 0,67; 0,85 . Штрихова лінія відображує границю обмеження коефіцієнту перетворення Mmax при заданому значенні струму I0 * по виразу (10). З кривих видний спадаючий характер вихідної напруги при збільшенні струму навантаження, із якого слідує обмеженість струму навантаження при фіксованому значенні D . Така властивість вихідної характеристики дозволяє при паралельному підключені до навантаження декількох перетворювачів досягти автоматичного вирівнювання потужності від кожного з них. Відносну потужність у навантаженні перетворювача отримаємо шляхом помноження відносного вихідного струму (8) на відносну вихідну напругу M  U0 / E : (11) Залежності (11) відносної потужності від параметра M теж обмежені зверху найбільшими значеннями, які вони приймають при граничному режимі струму дроселя, тобто при Dmax  M і тому з виразу (11) виходить: * P0.lim  4  M2  1  M . 35 (10) 2 * * P0  I0  M  4  D2  1 M . 30 (8) З виразу (8) отримаємо вихідну характеристику у вигляді залежності коефіцієнту перетворення напруги M від відносного струму навантаження I0 * : M 15 (7) Представимо вираз струму навантаження (5) у відносному вигляді, тобто відносно максимального значення (7): * I0  10 ET . 32  L (12) На фіг. 15 суцільними лініями наведено сімейство залежностей (11) при різних значеннях D  0,3; 0,5; 0,67; 0,85 . Штрихова лінія відображує границю обмеження відносної потужності * перетворювача P0.lim при заданому значенні коефіцієнту перетворення M по виразу (12). Як видно, особливість сімейства кривих полягає в присутності обмеження потужності, що 40 * передається перетворювачем до навантаження. При цьому максимальну потужність P0.max перетворювач здатний досягнути при значенні коефіцієнту перетворення M  0, б7 . А найбільш ефективним діапазоном значень коефіцієнту перетворення, при яких вихідна потужність приймає високі рівні, є М  0,5  0,8 . 4 UA 100367 U 5 10 15 20 25 Функціонування запропонованого перетворювача при формуванні напруги негативній полярності на потенційному виході 14 виконується аналогічно, але за участю інших елементів: односпрямованого ключа 3, діодів 9,10 та конденсатора 7. Запропонований перетворювач має такі переваги: - параметричне обмеження амплітуди струму ключів, яке виключає потребу додаткових засобів захисту; - обмеження вихідного струму до навантаження, яке дозволяє паралельне підключення до навантаження кількох перетворювачів для досягнення необхідної вихідної потужності. При цьому виконується автоматичне вирівнювання вихідних струмів перетворювачів; - суттєве зниження комутаційних процесів і імпульсних завад у діодах при їх переході із провідного стану до протилежного завдяки трикутній формі струму, який протікає через них; - зниження додаткових втрат потужності в обмотці дроселя, обумовлених виникненням вихрових струмів, тому що наростання і спад струму носить плавний характер. Експериментальні зразки запропонованого перетворювача постійної однополярної напруги у двополярну були виготовлені на Науково-виробничому підприємстві "Імпульс" (м. Запоріжжя). Проведено випробування зразків перетворювача з потужністю до 100 Вт, які підтвердили працездатність запропонованого пристрою та вказані переваги відносно аналогів і прототипу. Джерело інформації: 1. SU 1295378, МПК G05F 1/44. Источник опорного импульсного напряжения / В.И. Колосов // Опубл. 07.03.1987, Бюл. №9. 2. UA 42333, МПК Н02М 7/00, G05F 3/00. Двополярне джерело вторинного електроживлення без гальванічного відокремлення / В.Г. Абакумов, Д.П. Валіков, К.В. Луценко, В.В. Пілінський, В.Б. Швайченко // Опубл. 15.10.2001, Бюл. №9. 3. RU 2368938, МПК G05F 1/585. Преобразователь однополярного напряжения в двухполярное / С.В. Мацыкин, М.А. Зайцев, А.В. Сухов // Опубл. 27.09.2009. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Перетворювач постійної однополярної напруги у двополярну, що містить два послідовно з'єднані керовані односпрямовані ключі, вільні виводи яких підключені до вхідних виводів для під'єднання джерела живлення, а точка їх з'єднання через дросель - до вихідного загального виводу, два послідовно з'єднаних конденсатори, вільні виводи яких утворюють два потенційні вихідні виводи, а точка з'єднання підключена до загального вихідного виводу та схему керування, виходи якої підключені до керуючих входів ключів, який відрізняється тим, що в нього введені перші два діоди, кожен з яких підключений у напрямку провідного стану між вхідним і потенційним вихідним виводами, котрі мають однакову полярність, та другі два діоди, кожен з яких підключений паралельно одному з ключів і спрямований інверсно по відношенню до провідного напрямку ключа. 5 UA 100367 U 6 UA 100367 U 7 UA 100367 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8