SU764059A1 - Полупроводниковый конвертор - Google Patents

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при преобразовании постоянного тока с одним уровнем напряжения в постоянный ток с другим уровнем напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, например, в источниках питания радиотехнической аппаратуры, которая предъявляет требование гальванической развязки нагрузки и первичной сети.

Известны схемы тиристорных конверторов со звеном повышенной частоты, например преобразователь постоянного тока в постоянный, содержащий двухобмоточный дроссель, подключенный к источнику питания постоянного тока, и несколько тиристоров, включенных последовательно с дросселем и образующих вместе с ним цепь заряда и разряда конденсатора. Вторичная обмотка дросселя через выпрямительный диод соединена с цепью заряда-разряда и нагрузкой. В результате такого соединения элементов и узлов преобразователя энергия, накопленная дросселем в течение интервала проводимости тиристоров, передается в цепь нагрузки через выпрямительный элемент в течение интервала времени, когда тиристоры заперты [1]. ,

Данное преобразовательное устройство обладает тем недостатком, что частота инвертирования в режиме стабилизации на5 пряжения прямо пропорциональна выходной мощности, что приводит к ухудшению динамических характеристик конвертора и появлению значительных акустических шумов при сбросе нагрузки.

Наиболее близким к изобретению явЮ ляется конвертор, схема которого содержит последовательный полумостовой инвертор, последовательно с тиристорами которого включена первичная обмотка дросселя (трансформатора), имеющая среднюю точ₁₅ ку, соединенную с емкостями, а одна их его вторичных обмоток подключена через ' неуправляемый вентиль параллельно источнику питания. К другой вторичной обмотке упомянутого трансформатора подключен однополупериодный управляемый выпрями20 тёль с емкостным фильтром. Принцип работы известного устройства заключается в том, что управляемый выпрямитель тока нагрузки обеспечивает стабилизацию выходного напряжения, а избыток запасенной в

---дросселе энергии при сбросе нагрузки вознеуправляемый выпрямитель. Данный конвертор может работать на фиксированной частоте и обеспечивать стабилизацию напряжения ' на нагрузке при изменении ее сопротивления от номинального значения до бесконечности [2]. ’

При необходимости одновременной стабилизации напряжения “на нескольких нагрузках необходимо либо выполнение нескольких подобных конверторов, что связано с увеличением габаритов и массы источника, либо подключение каждой нагрузки через свой управляемый выпрямитель, что привоk увеличению тиристоров и зна“ 'чительному усложнению схемы управления.

Цель изобретения — расширение функ• циональных возможностей конвертора путем централизованной стабилизации нескольких выходных напряжений конвертора, работающего на фиксированной частоте, при произ.....вольном изменении нагрузок.

Для достижения поставленной цели полупроводниковый конвертор, состоящий из работающего на фиксированной частоте ти’^^фЙУТоф'йбТО'* инвертора с коммутирующей резонансной последовательной LC-цепью, отделенной от нагрузки, и накопительным ин' дуктивным элементом, цепи рекуперации избыточной энергий этого Элемента и п полупроводниковых однополупериодных выпрямителей с емкостными фильтрами, снабжен тиристором, установленным в цепи рекуперации избыточной энергии накопительного Индуктивного элемента, управление которым осуществляет введенный формирователь импульсов, который через дополнительно включенные логический элемент И и пороговые устройства соединен с выходом однополупериодных выпрямителей, которые выполняются неуправляемыми.

При этом напряжение в цепи рекупера' 'пии прй открытых вентилях выпрямителей .......... _запер_ТОМ тиристоре, установленном в цепи рекуперации, больше, чем напряжение источника питания. Тиристорный инвертор может строиться по любой известной схеме, содержащей коммутирующую резонансную последовательную LC-цепь и накопительный индуктивный элемент, например дроссель (трансформатор), . и обеспечивающей на’ копление энергии в магнитном поле Этого дросселя (трансформатора) на интервале ^‘““й'рёЙёЙЙ^'йгрбводящёгб· достояния тиристора ...— · ffugep-ropa и ее передачу в нагрузку на ин' тёрвалё.....непроводящего состояния тиристоров инвертора. Такое построение преобразователя позволяет при сбросе нагрузки либо ........ при увеличении напряжения источника питанйя возвращать в источник питания избыточную' энергию из дросселя (трансформатора). ......'

На фиг. 1 изображена схема полупровод~~~ Пиковогб конвертора для случая 3-х каналь ного выхода; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие принцип ее действия.

Конвертор содержит тиристорный Инвертор 1 с коммутирующей резонансной последовательной LC-цепью и накопительный дроссель (трансформатор) ·2, первичная обмотка 3 которого является составной частью тиристорного инвертора 1, и имеющего три вторичные обмотки 4—6 и обмотку 7 рекуперации, которая через тиристор 8 подключена к источнику питания. Управление тиристором 8 осуществляет формирователь 9 импульсов, подключенный к выходу логического элемента 10 И, входы которого через пороговые устройства 11 —13 соединены с выходами однополупериодных неуправляемых выпрямителей 14—16, с емкостными фильтрами, к которым также подключаются нагрузки 17—1Q. Выпрямители подключаются к соответствующим выводам вторичных обмоток 4—6 дросселя (трансформатор) 2. Числа витков вторичных обмоток 4—6 выбираются пропорциональными соответствующим стабилизируемым напряжениям.

При работе устройства в режиме максимальной мощности нагрузок и минимального напряжения источника питания энергия, передаваемая инвертором 1 в дроссель (трансформатор) 2 за один цикл инвертирования, равна энергии, рассеиваемой на нагрузках за тот же интервал времени, т. е. необходимости в рекуперации энергии обратно в источник нет, вследствие чего тиристор 8, установленный в цепи рекуперации, не включается и принцип действия устройства не отличается. от известных преобразователей, использующих тиристорные инверторы, выполненные по той же схеме, что и инвертор 1.

При сбросе нагрузки либо при возрастании напряжения источника питания порция энергии, передаваемая инвертором 1 в дроссель (трансформатор) 2 за один цикл инвертирования, оказывается больше, чем энергия, необходимая для поддержания стабиль40 ного напряжения на нагрузках за тот же интервал времени. Вследствие этого напряжения на емкостных фильтрах выпрямителей 14—16 нарастают быстрее и через некоторый промежуток времени оказываются равными верхним пороговым значениям, *^s определяемым пороговыми устройствами 11 —13. При превышении этого порогового значения пороговые устройства 11 —13 вырабатывают командные сигналы, которые поступают на входы логического элемента 10 so При наличии па всех входах логического элемента 10 командных сигналов на его выходе появляется сигнал, запускающий формирователь 9 импульсов, который включает тиристор 8. При этом напряжение на виток дросселя (трансформатора) 2 скачкообраз^ss но уменьшится и будет определяться только напряжением источника питания и числом витков обмотки 7 рекуперации, вследствие чего вентили выпрямителей 14—16 закроются, а вся избыточная энергия через обмотку 7 рекуперации и тиристор 8 поступит обратно в источник. К началу следующего цикла инвертирования этот процесс заканчивается, вследствие чего все процессы в инверторе 1 происходят с неизменными начальными условиями.

В случае неравномерного сброса нагрузок одной относительно другой происходит перераспределение передаваемых в нагрузки энергий в соответствии с изменениями нагрузок. Это происходит в результате того, что вентиль выпрямителя, нагрузка которого меньше уменьшилась, открывается раньше из-за большего спада напряжения на емкостном фильтре. Таким образом, предложенный преобразователь на каждом цикле переключения тиристоров инвертора 1 передает в каждую из нагрузок только такую порцию энергии, которая в этот момент там необходима.

На фиг. 2 изображены временные диаграммы, поясняющие принцип действия устройства в режиме сброса нагрузок. На первой изображено напряжение на 1 виток обмотки дросселя (трансформатор) U¹, на второй — выходное напряжение одного из выпрямителей, на третьей — ток через вентиль этого же выпрямителя, на четвертой — ток через тиристор 8 в цепи рекуперации и на пятой — напряжение на тиристоре в цепи рекуперации.

На интервале времени to — t» дроссель (трансформатор) 2 запасает энергию в магнитном поле, на интервале 11 — t г передает ее в нагрузки и емкостные фильтры выпрямителей, при этом напряжение на последних возрастает. В момент t г включается тиристор 8 в цепи рекуперации и дроссель (трансформатор) возвращает избыточную энергию обратно в источник. В момент Ъ включается тиристор инвертора 1 и весь процесс повторяется.

Предлагаемый конвертор позволяет централизованно стабилизировать ряд выходных напряжений при фиксированной частоте инвертирования. При этом максимальные значения напряжений на тиристорах инвертора 1 так же, как и скорость нарастания прямого тока и прямого напряжения на этих тиристорах, не зависят от тока нагрузки. Фиксирование частоты инвер тирования приводят к уменьшению спектра излучаемых конвертором частот, т. е. позволяет упростить устройства подавления помех, создаваемых конвертором, а также уменьшает акустические шумы, так как частота инвертирования выбирается максималь⁵ но возможной для данного типа инвертора 1.

Выполнение выпрямителей неуправляемыми позволяет повысить КПД устройства при низковольтном, т. е. сильноточном, выходе конвертора, за счет разности уровней токов, 10 протекающих в нагрузочной и рекуперационной обмотках, и разности падений напряжений на управляемом и неуправляемом диодах. При высоковольтном выходе выполнение выпрямителей неуправляемыми позволяет избежать установки большого коли¹⁵ чества тиристоров последовательно и, как следствие того, большой сложности схемы управления этими тиристорами.

Claims (2)

1. дросселе энергии при c6ptJCe нагрузки воз1рШ11№ ТСГбЭДйКпйтами  через неуправл емый выпр митель. Данный конвертор может работать на фиксированной частоте и обеспечивать стабилизацию напр жени  на нагрузке при изменении ее сопротивлени  ОТ номинального значени  до бесконечности 2. При необходимости одновременной стабиЛи зйЦйи HanpJFiKfeHHH на нескольких нагрузках необходимо либо выполнение нескольких подобных конверторов, что св зано с увеличением габаритов и массы источника, либо подключение каждой нагрузки через свой управл емый выпр митель, что приво дй ; елйчёнию числа тиристоров и знаЧШеЛьному усложнению схемы управлени . Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей конвертора путем централизованной стабилизаци нескольких выходных напр жений конвертора, работающего на фиксированной частоте, при произвольном изменении- нагрузок. Дл  достижени  поставленной цели полупроводниковый конвертор, состо щий из работающего на фиксированной частоте ти рЙсТорНбТО инвертора с коммутирующей резонансной последовательной ЬС-цепью, отделенной от нагрузки, и накопительным ин ДуКтивнйм элементом, цепи рекуперации избыточной энергий этотоэлемента и п полупроводниковых однополупериодных выпр мителей с емкостными фильтрами, 1:набжен тиристором, установленным в цепи рекуперации избыточной энергии накопительного .индуктивного элемента, управление которым осуществл ет введенный формирователь импульсов, который через дополнительно включенные логический элемент И и пороговые устройства соединен с выходом одно полупериодных выпр мителей, которые выполн ютс  неуправл емыми. При этом напр жение в цеп рекупераП ,Ш прй открЬ1ТЫх: вентил х выпр мителей и запертом тиристоре, установленном в цепи рекуперации, больше, чем напр жение источника питани . Тиристорный инвертор может строитьс  по любой известной схеме, содержащей коммутирующую резонансную последовательную LC-цепь и накопительный индуктивный элемент, например дроссель (трансформатор), , и обеспечивающей на ШЮТение энергии в магнитном пОле Зтого дроссел  (трансформатора) на интервале вре йёйй провод щего Состо ни  тиристора йНб ртера иее передачу в нагрузку на инте|Шалё непровод щего состо ни  тиристоров инвертора. Такое построение преобразовател  позвол ет при сбросе нагрузки либо Прй увёЛИченИИ напр жени  источника пи танй  вШвращать в источник питани  избыточную энергию из дроссел  (трансформатора ). На фиг. 1 изображена схема полупровод йЖЬёОг Конвертора дл  случа  3-х канального выхода; на фиг. 2 - временные диаграммы , по сн ющие принцип ее действи . Конвертор содержит тиристорный Инвертор 1 с коммутирующей резонансной последовательной LC-цепью и накопительный дроссель (трансформатор) 2, первична  обмотка 3 которого  вл етс  составной частью тиристорного инвертора 1, и имеющего три вторичные обмотки 4-6 и обмотку 7 рекупераЦИи , котора  через тиристор 8 подключена к источнику питани . Управление тиристором 8 осуществл ет формирователь 9 импульсов , подключенный к выходу логического элемента 10 И, входы которого через пороговые устройства 11 -13 соединены с выходами однополупериодных неуправл емых выпр мителей 14-16, с емкостными фильтрами, к которым также подключаютс  нагрузки 17-:1Q. Выпр мители подключаютс  к соответствующим выводам вторичных обмоток 4-6 дроссел  (трансформатор) 2. Числа витков вторичных обмоток 4-6 выбираютс  пропорциональными соответствующим стабилизируемым напр жени м. При работе устройства в режиме максимальной мощности нагрузок и минимального напр жени  источника питани  энерги , передаваема  инвертором 1 в дроссель (трансформатор ) 2 за один цикл инвертировани , равна энергии, рассеиваемой на нагрузках за тот же интервал времени, т. е. необходимости в рекуперации энергии обратно в источник нет, вследствие чего тиристор 8, установленный в цепи рекуперации, не включаетс  и принцип действи  устройства не отличаетс , от известных преобразователей, исполь .зующих тиристорные инверторы, выполненные по той же схеме, что и инвертор 1. При сбросе нагрузки либо при возрастании напр жени  источника питани  порци  энергии, передаваема  инвертором 1 в дроссель (трансформатор) 2 за один цикл инвертировани , оказь1ваетс  ббльше, чем энерги , необходима  дл  поддержани  стабильного напр жени  на нагрузках за тот же интервал времени. Вследствие этого напр жени  на емкостных фильтрах выпр мителей 14-16 нарастают быстрее и через некоторый промежуток времени оказываютс  равными верхним пороговым значени м, определ емым пороговыми устройствами 11 -13. При превыщении этого порогового значени  пороговые устройства 11 - 13 вырабатывают командные сигналы, которые поступают на входы логического элемента 10 При наличии На всех входах логического элемента 10 командных сигналов на его выходе по вл етс  сигнал, запускающий формирователь 9 импульсов, который включает тиристор 8. При этом напр жение на виток дроссел  (трансформатора) 2 скачкообразно уменьшитс  и будет Определ тьс  только напр жением источника питани  и числом витков обмотки 7 рекуперации, вследствие чего вентили выпр мителей 14-16 закроютс , а вс  избыточна  энерги  через обмотку 7 рекуперации и тиристор 8 поступит обратно в источник. К началу следующего цикла инвертировани  этот процесс заканчиваетс , вследствие чего все процессы в инверторе 1 происход т с неизменными начальными услови ми. В случае неравномерного сброса нагрузок одной относительно другой происходит перераспределение передаваемых в нагрузки энергий в соответствии с изменени ми нагрузок. Это происходит в результате того, что вентиль выпр мител , нагрузка которого меньше уменьшилась, открываетс  раньше из-за большего спада напр жени  на емкостном фильтре. Таким образом, предложенный преобразователь на каждом цикле переключени  тиристоров инвертора 1 передает. в каждую из нагрузок только такую порцию энергии, котора  в этот момент там необходима. На фиг. 2 изображены временные диаграммы ., по сн ющие принцип действи  устройства в режиме сброса нагрузок. На первой изображено напр жение на 1 виток обмотки дроссел  (трансформатор) U, на второй - выходное напр жение одного из выпр мителей , на третьей - ток через вентиль этого же выпр мител , на четвертой - ток через тиристор 8 в цепи рекуперации и на п той - напр жение на тиристоре в цепи рекуперации. На интервале времени to - i дроссель (трансформатор) 2 запасает энергию в магнитном поле, на интервале 11 - t г передает ее в нагрузки и емкостные фильтры выпр мителей , при этом напр жение на последних возрастает. В момент t г включаетс  тиристор 8 в цепи рекуперации и дроссель (трансформатор ) возвращает избыточную энергию обратно в источник. В момент tj включаетс  тиристор инвертора 1 и весь процесс повтор етс . Предлагаемый конвертор позвол ет централизованно стабилизировать р д выходных напр жений при фиксированной частоте инвертировани . При этом максимальные значени  напр жений на тиристорах инвертора 1 так же, как и скорость нарастани  пр мого тока - и пр мого напр жени  - на этих тиристорах, не завис т от тока нагрузки. Фиксирование частоты инвертировани  привод т к уменьшению спектра излучаемых конвертором частот, т. е. позвол ет упростить устройства подавлени  помех , создаваемых конвертором, а также уменьшает акустические шумы, так как частота инвертировани  выбираетс  максимально возможной дл  данного типа инвертора 1. Выполнение выпр мителей неуправл емыми позвол ет повысить КПД устройства при низковольтном, т. е. сильноточном, выходе конвертора, за счет разности уровней токов, протекающих в нагрузочной и рекуперационной обмотках, и разности падений напр жений на управл емом и неуправл емом диодах. При высоковольтном выходе выполнение выпр мителей неуправл емыми позвол ет избежать установки большого количества тиристоров последовательно и, как следствие того, большой сложности схемы управлени  этими тиристорами. Формула изобретени  Полупроводниковый конвертор, состо щий из работающего на фиксированной частоте тиристорного инвертора с коммутирующей резонансной последовательной LC-цепью, отделенной от нагрузки, и накопительным индуктивным элементом, цепи рекуперации избыточной энергии этого элемента и п полупроводниковых однополупериодных выпр мителей с емкостными фильтрами, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей путем централизованной стабилизации выходных напр жений при произвольном изменении нагрузок, он снабжен тиристором, включенным в цепь рекуперации избыточной энергии индуктивного элемента, причем цепь управлени  тиристора подключена к введенному формирователю импульсов, который через дополнительно введенные логический элемент И и пороговые элементы соединен с выходами однополупериодных выпр мителей , выполненных неуправл емыми. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент Японии № 50-39808, сери  4. 1975.
2. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке № 1910547/07, 28.04.73.