RU30225U1

RU30225U1 - Pulse converter of direct voltage to alternating voltage of a given frequency and shape

Info

Publication number: RU30225U1
Application number: RU2002128285/20U
Authority: RU
Inventors: В.В. Селиванов; В.Г. Селиванов
Original assignee: Селиванов Вадим Валерьевич; Селиванов Валерий Гурьевич
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2003-06-20

Description

Импульсный преобразователь постояппого еапряжеппя в перемеппоеPulse converter of constant voltage to variable voltage

заданпой частоты и формы.given frequency and shape.

Полезная модель относится к преобразователям постоянного тока в переменный с автоматическим управлением частотой и формой выходного сигнала путем широтноимпульсной модуляции, и может найти применение как достаточно мощный источник питания переменного тока, например, для бытовых приборов, с частотой, которая может быть задана в широким диапазоне.The utility model relates to DC to AC converters with automatic control of the frequency and shape of the output signal by pulse width modulation, and can be used as a sufficiently powerful AC power source, for example, for household appliances, with a frequency that can be set in a wide range.

Известно устройство преобразования постоянного напряжения в переменное по патенту RU 2050681 С1, 1995. Устройство выполнено на базе биполярных транзисторов включенных по двухтактной схеме и содержит инверторную ячейку с выходным трансформатором и переключающим трансформатором. В устройство введен управляемый нелинейный дроссель, на сердечнике которого ортогонально расположены рабочая и управляющая обмотки. Рабочая обмотка включена последовательно с первичной обмоткой переключающего трансформатора, а управляющая обмотка подключена к регулируемому источнику постоянного тока. Схема представляет собой автогенератор, в цепь положительной обратной связи которого включен управляемый дроссель.A device for converting DC voltage to AC according to patent RU 2050681 C1, 1995. The device is made on the basis of bipolar transistors connected in a push-pull circuit and contains an inverter cell with an output transformer and a switching transformer. A controllable non-linear inductor is introduced into the device, on the core of which the working and control windings are orthogonally located. The working winding is connected in series with the primary winding of the switching transformer, and the control winding is connected to an adjustable constant current source. The circuit is a self-oscillator, in the positive feedback circuit of which a controlled choke is connected.

Недостатком устройства по патенту RU 2050681 С1, 1995. можно считать низкий КПД и невозможность получить больщую выходную мощность.The disadvantage of the device according to the patent RU 2050681 C1, 1995. Low efficiency and the inability to obtain a large output power can be considered.

Известно так же устройство преобразования постоянного напряжения в постоянное по патенту US 6021052 2000. Устройство содержит силовые транзисторные ключи и высокочастотный трансформатор, включенные по двухтактной схеме, токоограничивающий высокочастотный дроссель, управляемый выпрямительный мост реализованный на транзисторных ключах и диодах, схему управления силовыми ключами, реализованную по принципу ШИМ, датчик входного тока и цепь обратной связи, содержащую два вычитающих устройства, два фильтра низких частот, блок гальванической развязки и источник напряжения уставки.A device for converting DC to DC voltage is also known according to the patent US 6021052 2000. The device contains power transistor switches and a high-frequency transformer included in a push-pull circuit, a current-limiting high-frequency inductor, a controlled rectifier bridge implemented on transistor switches and diodes, a power switch control circuit implemented in accordance with PWM principle, input current sensor and feedback circuit containing two subtracting devices, two low-pass filters, galvanic block knitting and voltage source settings.

Устройство работает следующим образом. Блок ШИМ управления генерирует сигналы управления для транзисторных ключей. Входное напряжение постоянного тока посредством силовых транзисторных ключей и высокочастотного трансформатора преобразуется в высокочастотное напряжение переменного тока, после чего с помощью управляемого выпрямительного моста преобразуется в напряжение постоянного тока. Высокочастотный дроссель обеспечивает мягкость ШИМ управления и более явную зависимость амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора от длительности управляющего импульса. Это необходимо для расщирения диапазона изменения выходного напряжения преобразователя и для обеспечения запаса по управлению(компенсации). В схеме введена отрицательная обратная связь по напряжению. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода устройства, подается на инвертирующий вход первого вычитающего устройства и сравнивается с напряжением уставки. Затем, разность выходного напряжения и напряжения уставки, представляющая собой сигнал рассогласования, подается на блок гальванической развязки, после чего поступает на фильтр нижних частот. Далее сигнал рассогласования подается на неинвертирующий вход второго вычитающего устройства и сравнивается с сигналом датчика тока защиты, после чего напряжение рассогласования подается на второй фильтр нижних частот, а затем на управляющий вход блока ШИМ управления, генерирующего импульсы управления ключами, длительность которых зависит от амплитуды напряжения рассогласования(чем вьппе уровень сигнала рассогласования тем больше длительность импульсов). Таким образом контур обратной связи замыкается иThe device operates as follows. The PWM control unit generates control signals for the transistor switches. The input DC voltage is converted into high-frequency AC voltage by means of power transistor switches and a high-frequency transformer, and then, using a controlled rectifier bridge, it is converted into DC voltage. A high-frequency inductor provides soft PWM control and a more explicit dependence of the amplitude value of the voltage on the secondary winding of the transformer on the duration of the control pulse. This is necessary to expand the range of variation of the output voltage of the converter and to provide a margin for control (compensation). Negative voltage feedback is introduced in the circuit. The constant voltage taken from the output of the device is supplied to the inverting input of the first subtracting device and is compared with the setpoint voltage. Then, the difference between the output voltage and the set voltage, which is a mismatch signal, is fed to the galvanic isolation unit, after which it is supplied to the low-pass filter. Next, the mismatch signal is fed to the non-inverting input of the second subtractor and compared with the signal of the protection current sensor, after which the mismatch voltage is fed to the second low-pass filter, and then to the control input of the PWM control unit generating key control pulses, the duration of which depends on the amplitude of the mismatch voltage (the higher the level of the mismatch signal, the longer the pulse duration). In this way, the feedback loop closes and

обеспечивает, с определеьшой точностью, равенство выходного напряжения напряжению уставки и защиту по току.provides, with a certain accuracy, the equality of the output voltage to the setpoint voltage and current protection.

Недостатком устройства по патенту US 6021052 2000The disadvantage of the device according to the patent US 6021052 2000

можно считать ограниченность максимального выходного тока в силу наличия токоограничивающего дросселя и отсутствие собственно преобразования постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы.we can consider the limitation of the maximum output current due to the presence of a current-limiting inductor and the absence of the actual conversion of direct voltage to alternating voltage and shape.

Из приведенных выше аналогов по технической сущности наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство по патенту US 6021052 2000. Оно и принято в качестве прототипа.Of the above analogues in technical essence, the closest to the proposed utility model is the device according to the patent US 6021052 2000. It is accepted as a prototype.

Поставлена задача разработать устройство, имеющее высокий КПД и широкий диапазон значений выходного тока, преобразующее постоянное напряжение в переменное заданной частоты и формы.The task is to develop a device that has a high efficiency and a wide range of output current values that converts direct voltage into alternating voltage of a given frequency and shape.

Эта задача решена следующим образом. Преобразователь напряжения содержит блок с ШИМ управлением схемы импульсного преобразования, выход блока управления подключен к управляющему входу силовых ключей схемы импульсного преобразования, реализованной по принщ1пу двухтактного включения транзисторов. Выходы силовых ключей соединены с первичной обмоткой трансформатора, выходы вторичной обмотки, соединены с входом выпрямителя, а выход выпрямителя соединен с коммутируемыми входами силовых ключей схемы преобразования постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы, реализованной по принципу мостового включения транзисторов. Схема преобразования постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы управляется блоком ШИМ управления. Ко входу схемы преобразования постоянного напряжения в переменное подключены выходы блока ШИМ управления преобразования постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы. В преобразователе реализована схема защиты по току и отрицательная обратная связь по напряжению для стабилизации действующего значения выходного напряжения..This problem is solved as follows. The voltage converter contains a PWM control unit of the pulse conversion circuit, the output of the control unit is connected to the control input of the power switches of the pulse conversion circuit, implemented by the principle of push-pull switching transistors. The outputs of the power switches are connected to the primary winding of the transformer, the outputs of the secondary winding are connected to the input of the rectifier, and the output of the rectifier is connected to the switched inputs of the power switches of the DC-to-AC conversion circuit of a given frequency and shape, implemented according to the principle of bridge switching of transistors. The DC-to-AC conversion circuit of a given frequency and shape is controlled by a PWM control unit. The outputs of the DC-to-AC conversion circuit are connected to the outputs of the PWM control unit for converting DC to AC voltage of a given frequency and shape. The converter has a current protection circuit and negative voltage feedback to stabilize the effective value of the output voltage ..

Далее сущность полезной модели поясняется чертежами на которых изображено:Further, the essence of the utility model is illustrated by the drawings which depict:

-на фиг1. - функциональная схема импульсного преобразователя напряжения.FIG. - Functional diagram of a pulse voltage converter.

-на фиг2. - временная диаграмма работы блока ШИМ управления первичного преобразования тока.- in FIG. - timing diagram of the PWM control unit of the primary current conversion.

Устройство содержит блок управления схемой импульсного преобразования 1 с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), силовые ключи схемы импульсного преобразования для первого полупериода 2, силовые ключи схемы импульсного преобразования для второго полупериода 3, высокочастотный трансформатор 4, сглаживающий конденсатор 5, датчик тока защиты 6, выпрямитель высокочастотного напряжения 7, буферный конденсатор 8, силовые ключи схемы преобразования постоянного напряжения в переменное для первого полупериода 9, силовые ключи схемы преобразования постоянного напряжения в переменное для второго полупериода 10, выпрямитель выходного напряжения 11, датчик тока защиты 12, схема гальванической развязки 13, фильтр нижних частот 14, блок управления схемы преобразования постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы с ШИМ 15, вычитающее устройство напряжения уставки и сигнала обратной связи 16, конденсатор блокирующий постоянную составляющую на выходе преобразователя 17, сглаживающий дроссель 18.The device contains a control unit for a pulse conversion circuit 1 with pulse width modulation (PWM), power switches for a pulse conversion circuit for a first half cycle 2, power switches for a pulse conversion circuit for a second half cycle 3, a high-frequency transformer 4, a smoothing capacitor 5, a protection current sensor 6, high-frequency voltage rectifier 7, buffer capacitor 8, power switches of the DC to AC conversion circuit for the first half-cycle 9, power switches of the conversion circuit DC to AC voltage for the second half-cycle 10, the output voltage rectifier 11, the protection current sensor 12, the galvanic isolation circuit 13, the low-pass filter 14, the control unit of the DC-to-AC conversion circuit of a given frequency and shape with a PWM 15, a subtraction device for the set voltage and feedback signal 16, a capacitor blocking the DC component at the output of the Converter 17, smoothing the inductor 18.

Импульсный преобразователь напряжения работает следуюпщм образом.The pulse voltage Converter operates as follows.

Блок ШИМ управления 1 генерирует управляющие импульсы прямоугольной формы, сдвинутые по фазе на 180°, с паузой согласно графику, приведенному на фиг. 2. Управляющие импульсы с выходов А и В поступают на корректирующие трансформаторы и силовые ключи 2 и 3, реализованные на мощных полевых транзисторах по п штук в каждом плече схемы. Силовые ключи 2 и 3 в совокупности с трансформатором 4 представляют собой схему первичного преобразования постоянного напряжения в переменное, реализованную по двухтактной схеме включения.The PWM control unit 1 generates rectangular control pulses, phase shifted by 180 °, with a pause according to the graph shown in FIG. 2. Control pulses from outputs A and B are supplied to corrective transformers and power switches 2 and 3, implemented on powerful field-effect transistors of n pieces in each arm of the circuit. Power switches 2 and 3 in combination with a transformer 4 are a circuit for the primary conversion of direct voltage to alternating current, implemented by a push-pull switching circuit.

Сглаживающий конденсатор 5 препятствует проникновению высокочастотной составляющей коммутируемого напряжения в источник питания. Применение трансформаторов на входе ключей позволяет улучщить условия коммутации силовых транзисторов, повыщает КПД, надежность и стабильность работы преобразователя. В схеме введена защита по току. Ь1апряжеш1е, снимаемое с датчика тока 6, подается в блок ШИМ управления 1, и при критическом его значении блок 1 прерывает процесс преобразования напряжения.Smoothing capacitor 5 prevents the penetration of the high-frequency component of the switched voltage into the power source. The use of transformers at the input of the keys allows to improve the conditions for switching power transistors, increases the efficiency, reliability and stability of the converter. The circuit introduced current protection. The b1 voltage removed from the current sensor 6 is supplied to the PWM control unit 1, and at a critical value, the block 1 interrupts the voltage conversion process.

Коммутируемое силовыми ключами постоянное напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора 4. Полезное напряжение требуемой величины первичного преобразователя, снимаемое со вторичной обмотки U трансформатора 4, выпрямляется выпрямителем высокочастотного напряжения 7 и подается на схему преобразования постоянного напряжения в переменное заданной частоты и формы, реализованную на транзисторных ключах 9 и 10. Блок ШИМ управления 15 генерирует управляющие импульсы, обеспечивающие заданную форму и частоту выходного напряжения схемы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к частоте и форме выходного напряжения преобразователя. Сигналы управления блока ШИМ управления 15 поступают на силовые ключи 9 и 10. В результате попарной коммутации ключей 9 и 10 полезное постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение заданной частоты и формы. Напряжение, снимаемое с датчика т(жа 12, через схему гальванической развязки подается в блок ШИМ управления 15 и при критическом его значении блок 15 прерывает процесс преобразования напряжения. В схеме введена отрицательная обратнся связь по напряжению, предназначенная для стабилизации выходного напряжения в заданных пределах. Выходное напряжение преобразователя поступает на выпрямительный мост 11, затем с выхода выпрямительного моста на схему гальванической развязки далее на фильтр нижних частот, далее это напряжение подается на вычитающее устройство 16, где сравнивается с напряжением уставки. Затем напряжение рассогласования поступает на управляющий вход блока ШИМ управления 15, генерирующего импульсы управления ключами 9 и 10, длительность которых зависит от амплитуды напряжения рассогласования (чем выще уровень сигнала рассогласования тем больще длительность импульсов, формирующих полупериоды). Таким образом, обратной связи замыкается и обеспечивает, с определенной точностью, равенство выходного напряжения напряжению уставки.The DC voltage switched by power keys is supplied to the primary winding of the transformer 4. The useful voltage of the required value of the primary converter, taken from the secondary winding U of the transformer 4, is rectified by a high-frequency voltage rectifier 7 and fed to the DC-to-AC converter of a given frequency and shape, implemented on transistor switches 9 and 10. The PWM control unit 15 generates control pulses providing a given shape and frequency of the output voltage we are in accordance with the requirements for the frequency and shape of the output voltage of the converter. The control signals of the PWM control unit 15 are supplied to the power switches 9 and 10. As a result of pairwise switching of the switches 9 and 10, the useful direct voltage is converted to an alternating voltage of a given frequency and shape. The voltage taken from the sensor m (well 12, is fed through the galvanic isolation circuit to the PWM control unit 15 and, at a critical value, the unit 15 interrupts the voltage conversion process. A negative voltage feedback is introduced in the circuit to stabilize the output voltage within specified limits. The output voltage of the converter is supplied to the rectifier bridge 11, then from the output of the rectifier bridge to the galvanic isolation circuit, then to the low-pass filter, then this voltage is applied to the subtraction device 16, where it is compared with the set voltage, then the mismatch voltage is supplied to the control input of the PWM control unit 15, which generates control pulses for keys 9 and 10, the duration of which depends on the amplitude of the mismatch voltage (the higher the level of the mismatch signal, the longer the duration of the pulses forming half-periods ). Thus, the feedback closes and ensures, with a certain accuracy, the equality of the output voltage to the setpoint voltage.

Таким образом, предлагаемая полезная модель рещает задачу преобразования постоянного напряжения в стабилизированное переменное напряжение заданной частоты и формы. При этом, в отличие от аналогичных устройств, отказ от использования токоограничивающего высокочастотного дросселя и использование сглаживающего конденсатора с малым динамическим сопротивлением и корректирующих трансформаторов позволяет существенно повысить КПД и выходн} мощность устройства, а введение в схему преобразования постоянного напряжения в переменное задашюй частоты и формы блока ШИМ ттравления со стабилиз1ф тощей обратной связью, позво.пяет пол чить на выходе устройства стабилизированный переменный ток и возможность установки частоты выходного напряжения в пределах от инфраннзких до средних частот.Thus, the proposed utility model solves the problem of converting direct voltage into a stabilized alternating voltage of a given frequency and shape. At the same time, unlike similar devices, the rejection of the use of a current-limiting high-frequency inductor and the use of a smoothing capacitor with a small dynamic resistance and corrective transformers can significantly increase the efficiency and output power of the device, and the introduction of a constant voltage to alternating frequency and shape of the unit into the circuit PWM etching with stabilized feedback, allows you to get stabilized alternating current and the ability to anovki frequency output voltage in the range of infrannzkih to midrange.

Claims

A pulse converter of direct voltage to alternating current of a given frequency and shape with current protection, comprising a pulse-width modulated (PWM) unit for controlling the power switches of a pulse conversion circuit, the outputs of which are connected to the primary windings of corrective transformers, the secondary windings of which are connected to the inputs of the power switches of the circuit pulse conversion, implemented on power transistor switches and a transformer, made according to a push-pull circuit, the secondary winding of the transformer under is connected to the input of the high-frequency voltage rectifier, the rectifier output is connected to the switched inputs of the transistor switches of the circuit for converting direct voltage to alternating voltage of a given frequency and shape, made according to a bridge circuit, and controlled by a PWM control unit for converting direct voltage to alternating voltage of a given frequency, characterized in that the power switches pulse conversion circuits are connected to the PWM control unit through correction transformers, and the direct PWM control unit when oedinen transistor switch circuit to convert the DC voltage into an AC frequency and a predetermined shape.