RU2051467C1

RU2051467C1 - Adjustable ac-to-dc converter with sine-wave input current

Info

Publication number: RU2051467C1
Authority: RU
Inventors: Сергей Данилович Рудык; Валерий Евгеньевич Турчанинов; Александр Юрьевич Воробьев; Сергей Вячеславович Корнеев
Original assignee: Сергей Данилович Рудык; Валерий Евгеньевич Турчанинов; Александр Юрьевич Воробьев; Сергей Вячеславович Корнеев
Priority date: 1992-01-27
Filing date: 1992-01-27
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: secondary power supplies. SUBSTANCE: converter has rectifier bridge 3, input filter 4, input choke 5, switch 6, ripple capacitor 7, first and second diodes 8 and 9, output transformer 10 with two primary windings 16, 17 and secondary winding 11. EFFECT: improved characteristics of input current supplied from mains. 4 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания различного назначения. The present invention relates to electrical engineering and can be used in secondary power sources for various purposes.

Известны преобразователи напряжения, содержащие входные выводы, входной выпрямитель, сглаживающий конденсатор, управляемый ключ, выходной трансформатор, выходной выпрямитель, выходной фильтр, схему управления управляемого ключа. Known voltage converters containing input terminals, an input rectifier, a smoothing capacitor, a controlled key, an output transformer, an output rectifier, an output filter, a control circuit of a controlled key.

Недостатком известных технических решений является низкий коэффициент мощности, обусловленный импульсным характером тока, потребляемого преобразователями от питающей сети для заряда сглаживающего конденсатора. A disadvantage of the known technical solutions is the low power factor due to the pulsed nature of the current consumed by the converters from the supply network for the charge of the smoothing capacitor.

Импульсы потребляемого тока не совпадают с синусоидальным питающим напряжением как по форме, так и по фазе. Это вызывает потребление от питающей сети не только полезной (активной), но и существенной реактивной мощности, что снижает КПД преобразователей, ограничивает им максимальную мощность. The pulses of the consumed current do not coincide with the sinusoidal supply voltage in both form and phase. This causes the consumption of not only useful (active), but also substantial reactive power from the mains, which reduces the efficiency of the converters and limits them to maximum power.

Наличие высших гармоник потребляемого тока вызывает значительные помехи и искажения формы питающего напряжения, что приводит к ухудшению режима работы силового оборудования, ухудшает электромагнитную совместимость преобразователей с питающей сетью. Кроме того, из-за больших импульсных сетевых токов понижается надежность работы разъемов и сетевых выключателей. The presence of higher harmonics of the consumed current causes significant interference and distortion in the shape of the supply voltage, which leads to a deterioration in the operation mode of power equipment, impairs the electromagnetic compatibility of the converters with the supply network. In addition, due to large pulsed network currents, the reliability of the connectors and network switches is reduced.

Низкий коэффициент мощности известных устройств накладывает ограничение на мощность их нагрузки. Это обусловлено вероятностью превышения лимита на коэффициент мощности в местной электросети. The low power factor of known devices imposes a limitation on the power of their load. This is due to the probability of exceeding the limit on the power factor in the local power grid.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с синусоидальным потребляемым током, содержащий входные выводы, выпрямительный мост, входной фильтр, подключенный к входным выводам и выводам переменного тока выпрямительного моста, положительный вывод постоянного тока которого соединен с первым выводом входного дросселя, второй вывод которого соединен с первым силовым выводом ключа, второй силовой вывод которого связан с отрицательным выводом постоянного тока выпрямительного моста, сглаживающий конденсатор, первый и второй диоды, выходной трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через выходной выпрямитель и фильтр, содержащий дроссель, к выходным выводам, причем частота коммутации ключа намного больше частоты входного питающего напряжения преобразователя, а выходной трансформатор имеет первую и вторую первичные обмотки. Closest to the proposed invention in technical essence is an adjustable AC to DC converter with a sinusoidal current consumption, containing input terminals, a rectifier bridge, an input filter connected to the input terminals and AC terminals of the rectifier bridge, whose positive DC terminal is connected to the first terminal input throttle, the second output of which is connected to the first power output of the key, the second power output of which is associated with a negative output rectifier bridge DC current, smoothing capacitor, first and second diodes, output transformer, the secondary winding of which is connected through the output rectifier and the filter containing the inductor to the output terminals, and the switching frequency of the switch is much higher than the frequency of the input supply voltage of the converter, and the output transformer has first and second primary windings.

Недостатками данного технического решения являются
низкий КПД, обусловленный тем, что вся мощность, поступающая в нагрузку, подвергается двухкратному преобразованию в каждом каскаде преобразователя. Кроме того, второй силовой ключ преобразователя работает при повышенном напряжении (максимальное напряжение на втором силовом ключе более, чем в два раза, выше максимального напряжения на первом силовом ключе), чем обусловлены большие потери, возникающие при его коммутации;
низкая надежность при переходных процессах и ограниченные функциональные возможности. Это объясняется тем, что в известном техническом решении применено каскадное соединение повышающего и понижающего преобразователей, имеющих индивидуальные обратные связи со своим быстродействием (постоянной времени). При переходных процессах возможен случай, когда у одного преобразователя длительность импульсов управления сужается, а у другого расширяется, либо наоборот. В результате этого возможна потеря свойства коррекции коэффициента мощности, либо перегрузка элементов преобразователей;
плохие массогабаритные показатели из-за большой массы и объема выходного трансформатора. Это объясняется тем, что для устранения перенапряжений на силовом ключе второго каскада (понижающего преобразователя) в выходной трансформатор введена размагничивающая обмотка. При этом с целью уменьшения индуктивности рассеяния используют дробление первичных обмоток выходного трансформатора на секции и слои, что приводит к усложнению выходного трансформатора, увеличению его массы и габаритов. Кроме того, каждый из силовых ключей имеет индивидуальные цепи управления и формирователи управляющего сигнала, а в составе известного технического решения функционально необходим узел, формирующий пусковой сигнал для первого каскада (повышающего преобразователя) при прохождении входного переменного напряжения через ноль. Это усложняет известное техническое решение и увеличивает число применяемых элементов;
большой уровень и широкий спектр генерируемых электромагнитных помех, так как силовой ключ повышающего преобразователя переключается с изменяющейся частотой, а силовой ключ понижающего преобразователя с неизменной. Причем соотношение частот коммутации ключей меняется в зависимости от тока нагрузки, величины входного напряжения и т.д.The disadvantages of this technical solution are
low efficiency, due to the fact that all the power entering the load undergoes a double conversion in each stage of the converter. In addition, the second power switch of the converter operates at an increased voltage (the maximum voltage on the second power switch is more than two times higher than the maximum voltage on the first power switch), which causes large losses arising from its switching;
low transient reliability and limited functionality. This is due to the fact that in the known technical solution, a cascade connection of step-up and step-down converters having individual feedback with their speed (time constant) is used. In transients, a case is possible when the duration of the control pulses narrows in one converter and expands in the other, or vice versa. As a result of this, the power factor correction property may be lost, or overload of converter elements;
poor overall dimensions due to the large mass and volume of the output transformer. This is because in order to eliminate overvoltages on the power key of the second stage (step-down converter), a demagnetizing winding is introduced into the output transformer. Moreover, in order to reduce the leakage inductance, crushing of the primary windings of the output transformer into sections and layers is used, which leads to a complication of the output transformer, an increase in its mass and dimensions. In addition, each of the power switches has individual control circuits and control signal conditioners, and as part of a well-known technical solution, a node is required which forms a start signal for the first stage (boost converter) when the input AC voltage passes through zero. This complicates the known technical solution and increases the number of elements used;
a large level and a wide range of generated electromagnetic interference, since the power switch of the step-up converter switches with a changing frequency, and the power switch of the step-down converter is unchanged. Moreover, the ratio of the switching frequencies of the keys varies depending on the load current, the magnitude of the input voltage, etc.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение КПД, надежности, улучшение массогабаритных показателей, расширение функциональных возможностей и упрощение регулируемого преобразователя переменного напряжения в постоянное с синусоидальным потребляемым током. The present invention is aimed at increasing efficiency, reliability, improving overall dimensions, expanding functionality and simplifying an adjustable AC to DC converter with sinusoidal current consumption.

При осуществлении предлагаемого изобретения может быть получен следующий технический результат:
повышен КПД преобразователя, так как исключен второй каскад преобразователя, а максимальное напряжение на разомкнутом силовом ключе снижено и равно напряжению на силовом ключе первого каскада в прототипе;
улучшена надежность преобразователя и расширены его функциональные возможности. Это объясняется тем, что однокаскадное построение преобразователя исключает взаимодействие двух обратных связей и как следствие отсутствуют при переходных процессах в нагрузке или питающей сети большие отклонения выходного постоянного напряжения и формы потребляемого тока, имеющие место в прототипе. Кроме того, уменьшено общее число элементов преобразователя. За счет использования дросселей, работающих в разных режимах (входного в режиме с прерывистым током, выходного в режиме непрерывного тока) в предлагаемом решении может быть осуществлена стабилизация выходного постоянного напряжения изменением коэффициента заполнения замкнутого состояния силового ключа, а синтез синусоидальной формы потребляемого тока путем изменения частоты коммутации ключа, причем изменения этих параметров мало зависят друг от друга. Однокаскадное построение преобразователя позволяет реализовать более простой и эффективный контур контроля и ограничения амплитудного значения импульсов тока силового ключа;
улучшены массогабаритные показатели преобразователя и упрощена его конструкция. Получение постоянного выходного напряжения и формирование формы потребляемого тока преобразователя, соответствующей форме входного переменного напряжения, осуществляется при помощи одного силового ключа, что упрощает конструкцию преобразователя и сокращает число применяемых элементов. Нет необходимости в формировании дополнительных синхронизирующих сигналов.When implementing the invention, the following technical result can be obtained:
increased efficiency of the converter, since the second stage of the converter is excluded, and the maximum voltage on the open power switch is reduced and equal to the voltage on the power switch of the first stage in the prototype;
The reliability of the converter has been improved and its functionality expanded. This is because the one-stage construction of the converter eliminates the interaction of two feedbacks and, as a result, there are no large deviations of the output DC voltage and the shape of the consumed current during transients in the load or the mains, which take place in the prototype. In addition, the total number of converter elements has been reduced. Due to the use of chokes operating in different modes (input in intermittent current mode, output in continuous current mode), the proposed solution can be used to stabilize the output DC voltage by changing the fill factor of the closed state of the power switch, and synthesize the sinusoidal shape of the current consumption by changing the frequency key switching, and changes in these parameters are little dependent on each other. The single-stage construction of the converter allows you to implement a simpler and more efficient control loop and limit the amplitude of the current pulses of the power switch;
the overall dimensions of the converter are improved and its design is simplified. Obtaining a constant output voltage and forming the shape of the consumed current of the converter, corresponding to the shape of the input alternating voltage, is carried out using one power switch, which simplifies the design of the converter and reduces the number of elements used. There is no need to generate additional synchronizing signals.

Кроме того, уменьшен объем и масса выходного трансформатора. Это объясняется тем, что в выходном трансформаторе отсутствует размагничивающая обмотка и не требуется усложнения конструкции выходного трансформатора с целью уменьшения индуктивности рассеяния, что делает выходной трансформатор более технологичным, снижает его массу и габариты. In addition, the volume and mass of the output transformer are reduced. This is explained by the fact that the output transformer does not have a demagnetizing winding and the complexity of the design of the output transformer is not required in order to reduce the leakage inductance, which makes the output transformer more technological and reduces its weight and dimensions.

В регулируемый преобразователь переменного напряжения в постоянное с синусоидальным потребляемым током, содержащий входные выводы, выпрямительный мост, входной фильтр, подключенный к входным выводам и выводам переменного тока выпрямительного моста, положительный вывод постоянного тока которого соединен с первым выводом входного дросселя, второй вывод которого соединен с первым силовым выводом ключа, второй силовой вывод которого связан с отрицательным выводом постоянного тока выпрямительного моста, сглаживающий конденсатор, первый и второй диоды, выходной трансформатор, вторичная обмотка которого подключена через выходной выпрямитель и фильтр, содержащий дроссель, к выходным выводам, причем частота коммутации ключа намного больше частоты входного питающего напряжения преобразователя, а выходной трансформатор имеет правую и вторую первичные обмотки, дополнительный сглаживающий конденсатор и третий диод, при этом второй силовой вывод ключа соединен с первым выводом первой первичной обмотки выходного трансформатора и через сглаживающий конденсатор соединен с анодом первого диода, катод которого соединен с первым выводом второй первичной обмотки выходного трансформатора, второй вывод которой соединен со вторым выводом входного дросселя и через дополнительный сглаживающий конденсатор соединен с анодом второго диода и катодом третьего диода, анод которого соединен со вторым выводом первой первичной обмотки выходного трансформатора, причем катод второго диода связан с анодом первого диода, катод второго диода может быть связан с анодом первого диода непосредственно, либо через введенную во входной дроссель дополнительную обмотку. Во втором случае снижается амплитуда тока, коммутируемая ключом, с целью стабилизации постоянного выходного напряжения и стабилизации формы кривой потребляемого тока, соответствующей форме входного переменного напряжения, дополнительно могут быть введены датчик входного напряжения, включенный между выводами переменного тока выпрямительного моста, датчик тока входного дросселя, делитель выходного напряжения, включенный между выходными выводами преобразователя, и схема управления, имеющая три входа и выходом соединенная с управляющим электродом ключа, причем выход датчика входного напряжения подключен к первому входу схемы управления, другой вход которой соединен с датчиком тока входного дросселя, третий вход схемы управления подключен к выходу делителя выходного напряжения, входной дроссель работает в режиме прерывистого тока, а дроссель выходного фильтра работает в режиме непрерывного тока. An adjustable AC to DC converter with a sinusoidal current consumption, containing input terminals, a rectifier bridge, an input filter connected to the input terminals and AC terminals of the rectifier bridge, the positive DC terminal of which is connected to the first terminal of the input inductor, the second terminal of which is connected to the first power terminal of the key, the second power terminal of which is connected with the negative DC terminal of the rectifier bridge, the smoothing capacitor, first and a second diode, an output transformer, the secondary winding of which is connected through an output rectifier and a filter containing a choke, to the output terminals, and the switching frequency of the key is much higher than the frequency of the input supply voltage of the converter, and the output transformer has a right and second primary windings, an additional smoothing capacitor and a third diode, while the second power terminal of the key is connected to the first terminal of the first primary winding of the output transformer and is connected to a through a smoothing capacitor the node of the first diode, the cathode of which is connected to the first terminal of the second primary winding of the output transformer, the second terminal of which is connected to the second terminal of the input inductor and through an additional smoothing capacitor is connected to the anode of the second diode and the cathode of the third diode, the anode of which is connected to the second terminal of the first primary winding of the output transformer, and the cathode of the second diode is connected to the anode of the first diode, the cathode of the second diode can be connected to the anode of the first diode either directly or through the input single choke additional winding. In the second case, the current amplitude switched by the key is reduced in order to stabilize the constant output voltage and stabilize the curve of the consumed current corresponding to the shape of the input AC voltage, an input voltage sensor connected between the AC terminals of the rectifier bridge, the current sensor of the input inductor can be added, an output voltage divider connected between the output terminals of the converter, and a control circuit having three inputs and an output connected to the control m with a key electrode, and the output of the input voltage sensor is connected to the first input of the control circuit, the other input of which is connected to the current sensor of the input inductor, the third input of the control circuit is connected to the output of the output voltage divider, the input inductor operates in intermittent current mode, and the output filter inductor operates in continuous current mode.

Существенными признаками изобретения, отличающими его от прототипа, являются:
а) признаки, достаточные во всех случаях, на которые распространяется техническое решение:
введены дополнительный сглаживающий конденсатор и третий диод;
второй силовой вывод ключа соединен с первым выводом первой первичной обмотки выходного трансформатора и через сглаживающий конденсатор соединен с анодом первого диода;
катод первого диода соединен с первым выводом второй первичной обмотки выходного трансформатора;
второй вывод второй первичной обмотки выходного трансформатора соединен со вторым выводом входного дросселя и через дополнительный сглаживающий конденсатор соединен с анодом второго диода и катодом третьего диода;
анод третьего диода соединен со вторым выводом первой первичной обмотки выходного трансформатора;
катод второго диода связан с анодом первого диода.The essential features of the invention that distinguish it from the prototype are:
a) signs sufficient in all cases to which the technical solution applies:
an additional smoothing capacitor and a third diode are introduced;
the second power terminal of the key is connected to the first terminal of the first primary winding of the output transformer and is connected to the anode of the first diode through a smoothing capacitor;
the cathode of the first diode is connected to the first terminal of the second primary winding of the output transformer;
the second terminal of the second primary winding of the output transformer is connected to the second terminal of the input inductor and through an additional smoothing capacitor is connected to the anode of the second diode and the cathode of the third diode;
the anode of the third diode is connected to the second terminal of the first primary winding of the output transformer;
the cathode of the second diode is connected to the anode of the first diode.

б) признаки, характеризующие техническое решение в частных случаях:
катод второго диода связан с анодом первого диода непосредственно;
катод второго диода связан с анодом первого диода через введенную во входной дроссель дополнительную обмотку;
дополнительно введены датчик входного напряжения, включенный между выводами переменного тока выпрямительного моста, датчик тока входного дросселя, делитель выходного напряжения, включенный между выходными выводами преобразователя, и схема управления, имеющая три входа и выходом соединенная с управляющим электродом ключа, причем выход датчика входного напряжения подключен к первому входу схемы управления, другой вход которой соединен с датчиком тока входного дросселя, третий вход схемы управления подключен к выходу делителя выходного напряжения, входной дроссель работает в режиме прерывистого тока, а дроссель выходного фильтра работает в режиме непрерывного тока.b) the signs characterizing the technical solution in special cases:
the cathode of the second diode is directly connected to the anode of the first diode;
the cathode of the second diode is connected to the anode of the first diode through an additional winding introduced into the input choke;
in addition, an input voltage sensor connected between the AC terminals of the rectifier bridge, a current sensor of the input choke, an output voltage divider connected between the output terminals of the converter, and a control circuit having three inputs and an output connected to the control electrode of the switch are additionally introduced, the output of the input voltage sensor being connected to the first input of the control circuit, the other input of which is connected to the current sensor of the input choke, the third input of the control circuit is connected to the output of the output divider On voltage, the input choke operates in discontinuous current mode, and the output filter choke operates in continuous current mode.

Авторам не известны решения, в которых имеется совокупность признаков, приведенная выше и отличающая предлагаемое техническое решение от известных технических решений. Таким образом, можно сделать вывод о том, что заявленное техническое решение обладает существенными отличиями. The authors are not aware of solutions in which there is a combination of features described above that distinguishes the proposed technical solution from known technical solutions. Thus, we can conclude that the claimed technical solution has significant differences.

Благодаря тому, что ключ коммутирует одновременно ток входного дросселя и приведенный к первичным обмоткам выходного трансформатора ток нагрузки, в предлагаемом техническом решении осуществляется преобразование переменного входного напряжения в постоянное выходное напряжение и их гальваническая развязка с помощью одного управляемого ключа. При этом форма потребляемого преобразователем тока от источника входного переменного напряжения близка к синусоидальной. Это позволило исключить второй каскад преобразования напряжения, сократить число применяемых элементов, улучшить массогабаритные показатели, повысить надежность, КПД, упростить конструкцию и расширить область применения преобразователя переменного напряжения в постоянное. Due to the fact that the switch simultaneously commutes the input inductor current and the load current brought to the primary windings of the output transformer, the proposed technical solution converts the alternating input voltage into a constant output voltage and galvanically decouples them using one controlled key. In this case, the shape of the current consumed by the converter from the source of the input AC voltage is close to sinusoidal. This allowed us to exclude the second stage of voltage conversion, reduce the number of elements used, improve overall dimensions, increase reliability, efficiency, simplify the design and expand the scope of the AC to DC converter.

Благодаря тому, что для дросселя во входной цепи преобразователя обеспечивается режим прерывистого тока, а для дросселя выходного фильтра режим непрерывного тока, стабилизация постоянного выходного напряжения преобразователя и формирование кривой потребляемого тока, соответствующей форме входного переменного напряжения, может осуществляться одним силовым ключом. Например, стабилизация выходного напряжения изменением коэффициента заполнения замкнутого состояния ключа, а синтез формы потребляемого тока изменением частоты коммутации ключа, причем изменения этих параметров мало зависят друг от друга. За счет этого исключаются перегрузки на элементах преобразователя при переходных процессах в нагрузке или питающей сети, обусловленные взаимодействием двух контуров обратной связи, как это имеет место в прототипе. Кроме того, это уменьшает уровень генерируемых электромагнитных помех, расширяет функциональные возможности преобразователя. Due to the fact that for the inductor in the input circuit of the converter a discontinuous current mode is provided, and for the inductor of the output filter, the continuous current mode, stabilization of the constant output voltage of the converter and the formation of a curve of the consumed current corresponding to the shape of the input alternating voltage can be carried out with one power switch. For example, stabilization of the output voltage by changing the fill factor of the closed state of the key, and the synthesis of the shape of the current consumed by changing the switching frequency of the key, and changes in these parameters are little dependent on each other. Due to this, overloads on the converter elements during transients in the load or the supply network due to the interaction of two feedback loops, as is the case in the prototype, are eliminated. In addition, it reduces the level of generated electromagnetic interference, expands the functionality of the converter.

Введение дополнительной обмотки во входной дроссель преобразователя позволяет снизить амплитуду тока через ключ. The introduction of an additional winding into the input choke of the converter reduces the amplitude of the current through the key.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого регулируемого преобразователя переменного напряжения в постоянное; на фиг. 2 и 3 варианты его исполнения; на фиг. 4 6 временные диаграммы токов и напряжений в основных цепях преобразователя. In FIG. 1 is a diagram of a proposed adjustable AC to DC converter; in FIG. 2 and 3 options for its execution; in FIG. 4 6 time diagrams of currents and voltages in the main circuits of the converter.

Предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное (см. фиг. 1) содержит входные выводы 1, 2, выпрямительный мост 3, входной фильтр 4, подключенный к входным выводам 1, 2 и выводам переменного тока выпрямительного моста 3. Положительный вывод постоянного тока выпрямительного моста 3 соединен с первым выводом входного дросселя 5, второй вывод которого соединен с первым силовым выводом (коллектором) ключа (транзистора) 6, второй силовой вывод (эмиттер) которого связан с отрицательным выводом постоянного тока выпрямительного моста 3. Преобразователь содержит сглаживающий конденсатор 7, первый и второй диоды 8, 9, выходной трансформатор 10, вторичная обмотка 11 которого подключена через выходной выпрямитель 12 и выходной DLC-фильтр 13 к выходным выводам 14, 15. Причем выходной трансформатор 10 имеет первую и вторую первичные обмотки 16, 17 соответственно. The proposed Converter AC to DC (see Fig. 1) contains input terminals 1, 2, rectifier bridge 3, input filter 4 connected to input terminals 1, 2 and AC terminals of rectifier bridge 3. Positive DC output of rectifier bridge 3 connected to the first output of the input inductor 5, the second output of which is connected to the first power output (collector) of the key (transistor) 6, the second power output (emitter) of which is connected to the negative DC output of the rectifier bridge 3. R the converter contains a smoothing capacitor 7, the first and second diodes 8, 9, the output transformer 10, the secondary winding of which 11 is connected through the output rectifier 12 and the output DLC filter 13 to the output terminals 14, 15. Moreover, the output transformer 10 has the first and second primary windings 16, 17, respectively.

В преобразователь введены дополнительный сглаживающий конденсатор 18 и третий диод 19. Второй силовой вывод (эмиттер) ключа (транзистора) 6 соединен с первым выводом (началом обмотки) первой первичной обмотки 16 выходного трансформатора 10 и через сглаживающий конденсатор 7 соединен с анодом первого диода 8, катод которого соединен с первым выводом (началом обмотки) второй первичной обмотки 17 выходного трансформатора 10, второй вывод (конец обмотки) которой соединен со вторым выводом входного дросселя 5 и через дополнительный сглаживающий конденсатор 18 соединен с анодом второго диода 9 и катодом третьего диода 19, анод которого соединен со вторым выводом (концом обмотки) первой первичной обмотки 16 выходного трансформатора 10. Катод второго диода 9 соединен с анодом первого диода 8 непосредственно. An additional smoothing capacitor 18 and a third diode 19 are introduced into the converter. The second power terminal (emitter) of the key (transistor) 6 is connected to the first terminal (beginning of the winding) of the first primary winding 16 of the output transformer 10 and connected to the anode of the first diode 8 through the smoothing capacitor 7, the cathode of which is connected to the first terminal (beginning of the winding) of the second primary winding 17 of the output transformer 10, the second terminal (end of the winding) of which is connected to the second terminal of the input inductor 5 and through an additional smoothing cone The casing 18 is connected to the anode of the second diode 9 and the cathode of the third diode 19, the anode of which is connected to the second terminal (end of the winding) of the first primary winding 16 of the output transformer 10. The cathode of the second diode 9 is directly connected to the anode of the first diode 8.

Число витков первой первичной 16 и второй первичной 17 обмоток выходного трансформатора 10 выбрано одинаковым. The number of turns of the first primary 16 and second primary 17 windings of the output transformer 10 is chosen the same.

Предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное по фиг. 2 отличается от преобразователя по фиг. 1 тем, что катод второго диода 9 связан с анодом первого диода 8 через введенную во входной дроссель 5 дополнительную обмотку 20. При этом начало дополнительной обмотки 20 входного дросселя 5 соединено с анодом первого диода 8, а конец дополнительной обмотки 20 соединен с катодом второго диода 9. Начало основной обмотки 21 входного дросселя 5 соединено с положительным выводом постоянного тока выпрямительного моста 3, а конец основной обмотки 21 входного дросселя 5 соединен с первым силовым выводом (коллектором) ключа (транзистора) 6. The proposed AC to DC converter of FIG. 2 differs from the converter of FIG. 1 in that the cathode of the second diode 9 is connected to the anode of the first diode 8 through an additional winding 20 introduced into the input inductor 5. The beginning of the additional winding 20 of the input inductor 5 is connected to the anode of the first diode 8, and the end of the additional winding 20 is connected to the cathode of the second diode 9. The beginning of the main winding 21 of the input inductor 5 is connected to the positive DC terminal of the rectifier bridge 3, and the end of the main winding 21 of the input inductor 5 is connected to the first power terminal (collector) of the key (transistor) 6.

На фиг. 3 показан вариант преобразователя, в котором осуществляется стабилизация выходного напряжения и стабилизация формы кривой потребляемого тока, соответствующей форме входного переменного напряжения. Предлагаемый преобразователь по фиг. 3, кроме элементов, описанных для преобразователя по фиг. 1, дополнительно содержит датчик выпрямленного входного напряжения 22, включенный между выводами переменного тока выпрямительного моста 3, датчик тока 23 входного дросселя 5, делитель выходного напряжения 24, включенный между выходными выводами 14, 15 преобразователя и схему управления 25. Схема управления 25 включает в себя две схемы сравнения 26 и 27, вырабатывающие два разностных сигнала Δ U₁ и Δ U₂ соответственно. На первый вход схемы сравнения 26 поступает сигнал, пропорциональный выпрямленному входному напряжению α U_вх, на второй выходной сигнал с датчика тока 23 входного дросселя 5 r_ш ˙ i_вх На первый вход схемы сравнения 27 поступает постоянное опорное напряжение U_оп, на второй сигнал с делителя выходного напряжения 24 β U_вых. Кроме того, схема управления 25 содержит управляемый напряжением генератор пилообразного напряжения 28, компаратор напряжения 29 и формирователь импульсов управления 30, выходом подключенный к управляющему электроду ключа (транзистора) 6.In FIG. Figure 3 shows a variant of a converter in which the output voltage is stabilized and the shape of the curve of the consumed current is stabilized, corresponding to the shape of the input alternating voltage. The converter of FIG. 3, in addition to the elements described for the converter of FIG. 1 further comprises a rectified input voltage sensor 22 connected between the AC terminals of the rectifier bridge 3, a current sensor 23 of the input inductor 5, an output voltage divider 24 connected between the output terminals 14, 15 of the converter, and a control circuit 25. The control circuit 25 includes two comparison circuits 26 and 27, generating two difference signals Δ U ₁ and Δ U _2, respectively. The first input of the comparison circuit 26 receives a signal proportional to the rectified input voltage α U _in , the second output signal from the current sensor 23 of the input inductor 5 r _w ˙ i _in The first input of the comparison circuit 27 receives a constant reference voltage U _op , the second signal with output voltage divider 24 β U _o In addition, the control circuit 25 includes a voltage-controlled sawtooth voltage generator 28, a voltage comparator 29 and a control pulse shaper 30, connected to the control electrode of the switch (transistor) 6 with an output.

Предлагаемый преобразователь переменного напряжения в постоянное по фиг. 1 работает следующим образом. The proposed AC to DC converter of FIG. 1 works as follows.

Период коммутации ключа (транзистора) 6 T_к выбран намного меньше периода входного питающего напряжения преобразователя T_с.The switching period of the key (transistor) 6 T _{to is} chosen much less than the period of the input supply voltage of the Converter T _s .

Входное переменное напряжение выпрямляется выпрямительным мостом 3. На вход ключа (на базу транзистора) 6 подаются импульсы управления, в результате на выходе выпрямительного моста 3 образуется пульсирующее напряжение (временные диаграммы U₃ на фиг. 4а и 4б).The input AC voltage is rectified by the rectifier bridge 3. Control pulses are applied to the key input (to the base of the transistor) 6, as a result, a pulsating voltage is generated at the output of the rectifier bridge 3 (time diagrams U ₃ in Figs. 4a and 4b).

При открывании ключа (транзистора) 6 (временные интервалы τ_и на фиг. 4 6) начинают протекать токи по следующим контурам:
4-3-5-6-3-4, 7-8-17-6-7, 18-6-16-19-18.When you open the key (transistor) 6 (time intervals τ _and Fig. 4 6), currents flow through the following circuits:
4-3-5-6-3-4, 7-8-17-6-7, 18-6-16-19-18.

Через входной дроссель 5 протекает ток I₅ (временные диаграммы I₅на фиг. 4в, г), через ключ (транзистор) 6 протекает ток I₆ (временные диаграммы I₆ на фиг. 5в, г), через первый диод 8, вторую первичную обмотку 17 выходного трансформатора 10, третий диод 19 и первую первичную обмотку 16 выходного трансформатора 10 протекают токи I₈, I₁₇, I₁₉, I₁₆, (временные диаграммы I₈, I₁₇, I₁₉, I₁₆, на фиг. 5ж, з), через сглаживающий конденсатор 7 и дополнительный сглаживающий конденсатор 18 протекают токи I₇, I₁₈ (временные диаграммы I₇, I₁₈ на фиг. 6в, г). Возникающие при этом импульсы напряжения на первой и второй первичных обмотках 16, 17 выходного трансформатора 10 (временные диаграммы U₁₆, U₁₇ на фиг. 5д. е) трансформируются во вторичную обмотку 11 выходного трансформатора 10, выпрямляются выходным выпрямителем 12 и сглаживаются выходным фильтром 13. Постоянное напряжение с выхода выходного фильтра 13 поступает на выходные выводы 14, 15 преобразователя.Through the input throttle 5 carries current I ₅ (timing diagrams I ₅ in Fig. 4c, d), through the switch (transistor) 6 carries current I ₆ (timing diagrams I ₆ in Fig. 5c, d), through the first diode 8, a second the primary winding 17 of the output transformer 10, the third diode 19 and the first primary winding 16 of the output transformer 10 flow currents I ₈ , I ₁₇ , I ₁₉ , I ₁₆ , (timing diagrams I ₈ , I ₁₇ , I ₁₉ , I ₁₆ , in FIG. 5g, s), through a smoothing capacitor 7, and an additional smoothing capacitor 18 flowing currents I _7, I ₁₈ (the timing diagrams I _7, I ₁₈ in FIG. 6c, d). The resulting voltage pulses on the first and second primary windings 16, 17 of the output transformer 10 (timing diagrams U ₁₆ , U ₁₇ in Fig. 5 e) are transformed into the secondary winding 11 of the output transformer 10, rectified by the output rectifier 12 and smoothed by the output filter 13 The constant voltage from the output of the output filter 13 is supplied to the output terminals 14, 15 of the converter.

Диаграммы напряжений элементов преобразователя представлены соответственно: напряжение на входном дросселе 5 временные диаграммы U₅ на фиг. 4д, е; напряжение на ключе (транзисторе) 6 временные диаграммы U₆ на фиг. 5а, б; обратные напряжения на первом и третьем диодах 8, 19 временные диаграммы U_8обр, U_19обр на фиг. 5к, л; обратное напряжение на втором диоде 9 временные диаграммы U_9обр на фиг. 6д, е.The voltage diagrams of the converter elements are presented respectively: voltage at the input choke 5 time diagrams U ₅ in FIG. 4e, e; voltage on the key (transistor) 6 timing diagrams U ₆ in FIG. 5a, b; reverse voltages on the first and third diodes 8, 19 timing diagrams U _8obr , U _19obr in FIG. 5k, l; the reverse voltage at the second diode 9 is a timing diagram of U _{9 ar} in FIG. 6d, e.

При закрывании ключа (транзистора) 6 (временные интервалы T_к τ_ина фиг. 4 6) начинает падать ток в входном дросселе 5 и достигает нулевого значения до момента времени очередного включения ключа (транзистора) 6. К закрытому ключу (транзистору) 6 прикладывается напряжение, равное сумме напряжений на сглаживающем конденсаторе 7 и дополнительном сглаживающем конденсаторе 18. На этом же интервале времени происходит заряд сглаживающих конденсаторов 7, 18 по цепи 4-3-5-18-9-7-3-4. Через второй диод 9 протекает ток I₉ (временные диаграммы I₉ на фиг. 6а, б).When the key (transistor) 6 is closed (time intervals T _to τ _and in Fig. 4-6), the current in the input choke 5 begins to drop and reaches a zero value until the time the key (transistor) 6 is next turned on. 6. A private key (transistor) 6 is applied voltage equal to the sum of the voltages on the smoothing capacitor 7 and the additional smoothing capacitor 18. At the same time interval, the smoothing capacitors 7, 18 are charged through the circuit 4-3-5-18-9-7-3-4. Through the second diode carries current I 9 ₉ ₍₉ timing diagram I in Fig. 6a, b).

Кроме того, на этом интервале времени накопленная энергия в дросселе выходного фильтра 13 частично рекуперирует в нагрузку R_н. При этом на выходных выводах 14, 15 преобразователя формируется постоянное напряжение, практически не содержащее переменной составляющей с частотами, равными и кратными частоте входной питающей сети. Выходное постоянное напряжение преобразователя содержит только пилообразную составляющую с частотой коммутации ключа 6. Величина этой составляющей определяется элементами выходного фильтра 13.In addition, at this time interval, the stored energy in the choke of the output filter 13 partially recovers into the load R _n . At the same time, a constant voltage is formed at the output terminals 14, 15 of the converter, which practically does not contain a variable component with frequencies equal to and multiples of the frequency of the input mains. The output DC voltage of the Converter contains only a sawtooth component with a switching frequency of the key 6. The value of this component is determined by the elements of the output filter 13.

При очередном открывании ключа (транзистора) 6 все описанные процессы повторяются. При этом амплитуды токов I₅, I₆, I₇, I₁₈, I₁₇, I₁₆, а также амплитуды напряжений U₃, U₅ изменяются в соответствии с формой входного питающего напряжения.At the next opening of the key (transistor) 6, all the described processes are repeated. In this case, the amplitudes of the currents I ₅ , I ₆ , I ₇ , I ₁₈ , I ₁₇ , I ₁₆ , as well as the amplitudes of the voltages U ₃ , U ₅ change in accordance with the shape of the input supply voltage.

Все диаграммы на фиг. 4 6 приведены для режима прерывистого тока входного дросселя 5 и режима непрерывного тока выходного дросселя и постоянных величинах τ_и Т_к. На фиг. 4а, в, д, фиг. 5а, в, д, ж к, фиг. 6а, в, д, ж представлены диаграммы токов и напряжений на интервалах времени, соизмеримых с периодом входного переменного напряжения T_c. На фиг. 4б, г, е, фиг. 5б, г, е, з, л, фиг. 6б, г, е представлены диаграммы токов и напряжений на интервалах времени, соизмеримых с периодом коммутации T_к силового ключа 6. Конденсатор высокочастотного входного фильтра 4 служит для усреднения импульсов тока, потребляемого преобразователем от источника переменного входного напряжения ≈U_вх. Форма тока, потребляемого преобразователем от источника входного напряжения, представлена на фиг. 6ж.All diagrams in FIG. 4 to 6 are given for the intermittent current mode of the input inductor 5 and the continuous current mode of the output inductor and constant values of τ _and T _k . In FIG. 4a, c, d, fig. 5a, c, d, f to k, FIG. 6a, c, d, g show diagrams of currents and voltages at time intervals, commensurate with the period of the input alternating voltage T _c . In FIG. 4b, d, e, fig. 5b, d, e, s, l, fig. 6b, d, f currents and voltages are presented on diagrams intervals commensurate with a period T _{to a} switching MOSFET 6. The high-frequency input filter capacitor 4 is used for averaging the current pulses drawn by the converter from the AC input voltage ≈U _Rin. The shape of the current consumed by the converter from the input voltage source is shown in FIG. 6g.

Работа преобразователя по фиг. 2 аналогична описанной выше. Введение в схему преобразователя двухобмоточного варианта дросселя 5 позволяет снизить амплитуду тока через силовой ключ 6. The operation of the converter of FIG. 2 is similar to that described above. The introduction into the converter circuit of a two-winding version of the inductor 5 allows you to reduce the amplitude of the current through the power switch 6.

Работа силовой части преобразователя по фиг. 3 также аналогична таковой для преобразователя по фиг. 1. The operation of the power section of the converter of FIG. 3 is also similar to that of the converter of FIG. 1.

Схема управления 25 преобразователя, как было указано выше, содержит две схемы сравнения 26 и 27. На выходе первой схемы сравнения 26 формируется первый разностный сигнал Δ U₁ α U_вх r_ш ˙ i_вх так как токовый сигнал поступает на вычитающий вход схемы сравнения 26. Первый разностный сигнал управляет частотой управляемого напряжением генератора пилообразного напряжения 28, изменяя ее таким образом, чтобы величина разностного сигнала Δ U₁ была минимальной. На выходе второй схемы сравнения 27 формируется второй разностный сигнал ΔU₂ U_оп βU_вых так как сигнал с делителя выходного напряжения 24 поступает на вычитающий вход схемы сравнения 27.Converter control circuit 25, as mentioned above, comprises two comparison circuits 26 and 27. At the output of the first comparison circuit 26, a first difference signal Δ U ₁ α U _Rin r _w ˙ i _Rin since the current signal is supplied to the subtracting input of the comparator circuit 26 The first difference signal controls the frequency of the voltage-controlled sawtooth generator 28, changing it so that the value of the difference signal Δ U _{1 is} minimal. At the output of the second comparison circuit 27, a second differential signal ΔU ₂ U _op βU _output is generated since the signal from the output voltage divider 24 is fed to the subtracting input of the comparison circuit 27.

Пилообразное напряжение с выхода управляемого генератора пилообразного напряжения 28 поступает на компаратор напряжения 29, где в результате сравнения формируются импульсы управления ключа 6. Согласование высокоомного выхода компаратора напряжения 29 с входной цепью ключа 6 осуществляется с помощью формирователя импульсов управления 30. The sawtooth voltage from the output of the controlled generator of the sawtooth voltage 28 is supplied to the voltage comparator 29, where, as a result of the comparison, control pulses of the key 6 are formed. The high-resistance output of the voltage comparator 29 is matched with the input circuit of the key 6 using the control pulse shaper 30.

Пусть в некоторый момент времени мгновенное значение входного тока стало меньше величины эталонного напряжения α U_вх с датчика выпрямленного входного напряжения 22. В этом случае на выходе схемы сравнения 26 формируется положительный разностный сигнал Δ U₁, вызывающий увеличение периода коммутации силового ключа 6, что приводит к увеличению входного тока преобразователя. При превышении токовым сигналом r_ш ˙ i_вх величины эталонного напряжения на выходе схемы сравнения 26 формируется отрицательный разностный сигнал, уменьшающий период коммутации силового ключа 6 и снижающий величину потребляемого тока. Таким образом, в преобразователе осуществляется непрерывное слежение за величиной потребляемого от сети тока, форма которого после усреднения конденсатором 4 вследствие высокой частоты коммутации силового ключа 6 практически повторяет форму эталонного напряжения (фиг. 6ж иллюстрирует форму тока на входных выводах выпрямительного моста 3). Для стабилизации величины выходного напряжения преобразователя второй разностный сигнал Δ U₂ поступает на вход компаратора напряжения 29, где изменяет длительность замкнутого состояния силового ключа 6 таким образом, что величина напряжения на нагрузке R_н поддерживается постоянной. Вследствие того, что дроссель в выходной цепи преобразователя работает в режиме непрерывного тока, а величины сглаживающего конденсатора 7 и дополнительного сглаживающего конденсатора 18 выбираются таковыми, что напряжение на них практически постоянное, то выходное напряжение преобразователя пропорционально величине
U

, где γ коэффициент заполнения, равный относительной длительности замкнутого состояния силового ключа 6 и не зависящий от частоты коммутации силового ключа 6.Suppose that at some point in time the instantaneous value of input current was smaller than the reference voltage α U _Rin from the rectified input voltage sensor 22. In this case, at the outlet a positive difference signal comparison circuit 26 formed Δ U _1, causing an increase in the switching period of power switch 6, which leads to increase the input current of the converter. When the current signal r _w ˙ i _in exceeds the value of the reference voltage, a negative differential signal is generated at the output of the comparison circuit 26, which reduces the switching period of the power switch 6 and reduces the amount of current consumed. Thus, the converter continuously monitors the amount of current consumed from the network, the shape of which after averaging by the capacitor 4 due to the high switching frequency of the power switch 6 almost repeats the shape of the reference voltage (Fig. 6g illustrates the shape of the current at the input terminals of the rectifier bridge 3). To stabilize the output voltage of the converter, the second differential signal Δ U _{2 is} fed to the input of the voltage comparator 29, where it changes the duration of the closed state of the power switch 6 in such a way that the voltage value at the load R _{n is} kept constant. Due to the fact that the inductor in the output circuit of the converter operates in continuous current mode, and the values of the smoothing capacitor 7 and the additional smoothing capacitor 18 are selected such that the voltage on them is almost constant, the output voltage of the converter is proportional to the value
U

, where γ is the fill factor equal to the relative duration of the closed state of the power switch 6 and is independent of the switching frequency of the power switch 6.

Вследствие того, что дроссель 5 во входной цепи преобразователя работает в режиме прерывистого тока, среднее значение тока, потребляемого преобразователем, пропорционально величине
I

+

, где L величина индуктивности дросселя 5;
F частота коммутации силового ключа 6.Due to the fact that the inductor 5 in the input circuit of the converter operates in a discontinuous current mode, the average value of the current consumed by the converter is proportional to the value
I

+

where L is the magnitude of the inductance of the inductor 5;
F switching frequency of the power switch 6.

Среднее значение тока, потребляемого преобразователем, зависит от частоты коммутации силового ключа 6 в большей степени чем от γ. The average value of the current consumed by the converter depends on the switching frequency of the power switch 6 to a greater extent than on γ.

Таким образом, по причине различных режимов работы дросселей преобразователя путем изменения частоты коммутации и коэффициента заполнения импульсов тока силового ключа 6, осуществляется практически независимая стабилизация двух параметров: формы потребляемого тока и постоянного выходного напряжения преобразователя. Причем стабилизация указанных параметров осуществляется одним силовым ключом. Thus, due to the different operating modes of the inductors of the converter by changing the switching frequency and duty cycle of the current pulses of the power switch 6, two parameters are practically independently stabilized: the shape of the current consumption and the constant output voltage of the converter. Moreover, the stabilization of these parameters is carried out by one power key.

Claims

1. ADJUSTABLE AC DC CONVERTER TO DC WITH SINUSOIDAL CONSUMPTED CURRENT, comprising a rectifier bridge, an input filter connected to the input terminals and the alternating current terminals of the rectifier bridge, the positive DC terminal of which is connected to the first terminal of the input inductor, the second a key output, the second power output of which is connected to the negative DC output of the rectifier bridge, a smoothing capacitor, the first and second diodes, an output transformer, the secondary winding of which is connected through an output rectifier and a filter containing a choke and a capacitor, to the output terminals, and the switching frequency of the key is much higher than the frequency of the input supply voltage of the converter, and the output transformer has a first and second primary windings, characterized in that, with In order to increase efficiency, reliability, improve overall dimensions, expand functionality and simplify, an additional smoothing capacitor and a third diode are introduced into it. wherein the second power terminal of the key is connected to the first terminal of the first primary winding of the output transformer and through a smoothing capacitor is connected to the anode of the first diode, the cathode of which is connected to the first terminal of the second primary winding of the output transformer, the second terminal of which is connected to the second terminal of the input inductor and through an additional a smoothing capacitor is connected to the anode of the second diode and the cathode of the third diode, the anode of which is connected to the second terminal of the first primary winding of the output transformer, when than the cathode of the second diode is connected to the anode of the first diode.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the cathode of the second diode is connected directly to the anode of the first diode.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that the cathode of the second diode is connected to the anode of the first diode through an additional winding introduced into the input choke.

4. The Converter according to claims 1, 2 or 3, characterized in that it includes an input voltage sensor connected between the AC terminals of the rectifier bridge, an input inductor current sensor, an output voltage divider connected between the output terminals of the converter, and a control circuit, having three inputs and an output connected to the control electrode of the key, and the output of the input voltage sensor is connected to the first input of the control circuit, the second input of which is connected to the current sensor of the input choke, the third input of the control circuit ION is connected to the output of the divider output voltage, the inductance of the input inductor is selected from a throttle operating conditions in a discontinuous current mode, and the output filter choke inductance is selected from the throttle operating conditions in a continuous current mode.