СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ
DIRECT-TO-ALTERNATING VOLTAGE CONVERSION METHOD

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения и ключевых (импульсных) источниках вторичного электропитания.
Известен способ прямоугольных сигналов или широтно-импульсный способ преобразования постоянного напряжения в переменное, согласно которому индуктивный элемент - накопитель энергии с частотой преобразования подключают к источнику постоянного напряжения, получая в результате напряжение прямоугольной формы (П.Четти. Проектирование ключевых источников электропитания. М.: Энергоатомиздат, с.12).
Недостаток способа состоит в том, что при переключении индуктивного элемента с постоянным напряжением индуктивность рассеяния индуктивного элемента его межвитковая емкость с другими паразитными емкостями преобразователя напряжения приводят к дроссельной, конденсаторной и резонансной электромагнитным помехам («Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания». Под ред. Г.С.Векслера, Киев, «Техника», с.9, 16). Кроме того, форма тока и напряжения индуктивного элемента далека от синусоидальной, а индуктивность рассеяния вносит энергетические потери, что снижает КПД преобразователя.
Известен резонансный способ преобразования постоянного напряжения в переменное, согласно которому к постоянному напряжению подключают резонансный LC-контур, который является накопителем энергии (П.Четти. Проектирование ключевых источников электропитания. М.: Энергоатомиздат, с.12).
Недостаток способа состоит в том, что резонансный LC-контур подключают к потенциалу постоянного напряжения либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении на переключающем элементе (Б.С.Сергеев. «Схемотехника функциональных узлов источников вторичного питания». // Справочник, М., РАДИО И СВЯЗЬ, с.24, 28), что приводит, соответственно, к увеличению или конденсаторной, или дроссельной электромагнитной помехи. По этой же причине в резонансных преобразователях напряжения практически невозможно сохранить нулевой ток или нулевое напряжение на переключающих элементах для изменения коэффициента заполнения при осуществлении широтно-импульсной модуляции. При этом в известном способе форма тока и напряжения при нулевом токе и нулевом напряжении подключения отличаются, а именно при нулевом токе подключения форма напряжения на ключевом элементе квазипрямоугольна, а форма тока квазисинусоидальна; при нулевом напряжении подключения форма напряжения на ключевом элементе квазисинусоидальна, а форма тока квазипрямоугольна. Кроме того, индуктивность рассеяния вносит энергетические потери, что снижает КПД преобразователя.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ преобразования постоянного напряжения в переменное, описанный в способе преобразования постоянного напряжения в постоянное (СССР, а.с.№1809514, Н02М 3/335, 15.04.93). В способе по а.с.№1809514 предварительно постоянное напряжение преобразуют в переменное, при этом индуктивный элемент с частотой преобразования подключают к постоянному напряжению при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах. В известном способе уменьшают конденсаторную и дроссельную электромагнитные помехи.
Недостаток способа по а.с.№1809514 состоит в том, что нулевой ток и нулевое напряжение на переключающих элементах устанавливают путем изменения волнового сопротивления дополнительного резонансного контура, что приводит к увеличению резонансных электромагнитных помех. Кроме того, способ сложен при использовании его для широтно-импульсной модуляции, так как управление осуществляется колебательным контуром и перестройка преобразователя для другого режима модуляции сложна, поскольку, помимо обязательной настройки контура, требует замены практически всех элементов колебательного контура. При этом форма тока и напряжения индуктивного элемента далека от синусоидальной, а индуктивность рассеяния вносит энергетические потери, что снижает КПД преобразователя.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа преобразования постоянного напряжения в переменное, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении уровня электромагнитных помех, в улучшении формы тока и напряжения индуктивного элемента, в повышении КПД преобразователя, в упрощении управления широтно-импульсной модуляцией.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе преобразования постоянного напряжения в переменное, в соответствии с которым индуктивный элемент с частотой преобразования подключают к источнику постоянного напряжения при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах, новым является то, что предварительно путем соответствующего подключения емкостных элементов создают параллельно-последовательный колебательный контур с индуктивным элементом, при этом приближают резонансные частоты параллельного и последовательного контуров к частоте преобразования постоянного напряжения таким образом, чтобы амплитуда напряжения первой полуволны апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента на его переключаемом выводе после отключения индуктивного элемента от потенциала постоянного напряжения, находилась на уровне противоположного подключаемого потенциала постоянного напряжения, причем емкостью параллельного колебательного контура приближают частоту апериодических колебаний, создаваемых индуктивностью рассеяния индуктивного элемента, к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны высоких частот, а емкостью последовательного контура приближают резонансную частоту последовательного контура к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны нижних частот.
Технический результат достигается следующим образом. Благодаря тому, что в заявленном способе индуктивный элемент подключают к источнику постоянного напряжения с частотой преобразования при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах, обеспечивается возможность формирования переменного напряжения.
Известно, что индуктивность рассеяния индуктивного элемента образует колебательный контур с собственной межвитковой емкостью. После отключения индуктивного элемента от потенциала постоянного напряжения на нем возникают апериодические колебания, приводящие к резонансным помехам, с частотой, превышающей частоту преобразования постоянного напряжения, и с начальной амплитудой, значительно превышающей уровень постоянного напряжения. Частота апериодических колебаний ω колебательного контура:
где L, С и R - соответственно индуктивность, емкость и активное сопротивление колебательного контура.
Напряжение Δφ между выводами конденсатора:
o
где: Ao, βt, t и a - соответственно начальная амплитуда, коэффициент затухания, время и начальная фаза апериодических колебаний (Справочник по физике. Под ред. Б.М.Яворского, М.: ОНИКС, Мир и Образование, 2006, с.507, 508).
Из вышеприведенных уравнений следует, что при увеличении емкости колебательного контура уменьшаются частота и напряжение апериодических колебаний на емкости.
В заявленном способе параллельный колебательный контур создают с индуктивностью рассеяния индуктивного элемента путем подключения к его выводам емкостного элемента таким образом, чтобы его резонансная частота определялась индуктивностью рассеяния, при этом активное сопротивление R является внутренним сопротивлением индуктивного элемента. Поэтому амплитуда апериодических колебаний на индуктивном элементе соответствует амплитуде апериодических колебаний на емкостном элементе, емкость которого складывается с межвитковой емкостью индуктивного элемента и другими паразитными емкостями преобразователя напряжения. Это приводит к уменьшению частоты и амплитуды апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента. А так как создаваемые помехи пропорциональны произведению амплитуды сигнала и частоты, то в заявленном способе снижается уровень резонансных электромагнитных помех в сравнении с известными способами (Дж. Барнс. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. М.: Мир, с.40).
Таким образом, в заявленном способе уровень резонансных электромагнитных помех уменьшается благодаря тому, что параллельный колебательный контур создают с индуктивностью рассеяния и таким, чтобы его резонансная частота приближалась к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны высоких частот, что обеспечивает возможность уменьшения частоты и амплитуды апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента, после отключения его от потенциала постоянного напряжения.
В заявленном способе ток имеет квазисинусоидальную форму, а переменное напряжение имеет трапецеидальнуюю форму, максимально приближением к квазисинусоидальной форме. В заявленном способе это обусловлено благодаря тому, что путем соответствующего подключения емкостных элементов создают последовательный колебательный контур с индуктивным элементом, при этом приближают резонансную частоту последовательного контура к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны низких частот. Это позволяет использовать данный контур, помимо его прямого назначения - снижение резонансных помех, как резонансный LC-контур резонансного способа преобразования постоянного напряжения в переменное. Это приближает заявленный способ к резонансному способу преобразования напряжения по форме тока и напряжения на индуктивном элементе, что позволяет в заявленном способе улучшить форму тока и напряжения в индуктивном элементе при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах. В результате заявленный способ обеспечивает возможность создания преобразователей постоянного напряжения и регулируемых ключевых (импульсных) источников вторичного электропитания с квазисинусоидальной формой тока и трапецеидальной формой напряжения с приближением к квазисинусоидальной.
Амплитуда напряжения первой полуволны апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния, превышает уровень постоянного напряжения. Заявленный способ благодаря параллельно-последовательному колебательному контуру позволяет, варьируя емкостями контуров, уменьшить амплитуду напряжения первой полуволны апериодических колебаний до уровня потенциала постоянного напряжения и обеспечить сохранение этого уровня амплитуды напряжения первой полуволны апериодических колебаний на требуемое время при нулевом токе и напряжении на переключающих элементах. Это позволяет использовать заявленный способ при широтно-импульсной модуляции в широком диапазоне коэффициента заполнения.
В результате в заявленном способе возможность изменения момента времени подключения индуктивного элемента к потенциалу постоянного напряжения при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах обеспечивается простым подбором емкостных элементов созданного с индуктивным элементом последовательно-параллельного колебательного контура. Это упрощает изменение коэффициента заполнения при осуществлении широтно-импульсной модуляции, а следовательно, упрощает управление широтно-импульсной модуляцией.
Индуктивность рассеяния индуктивного элемента является паразитной и в известных преобразователях напряжения рассеивается на демпфирующих элементах, в то время как в заявленном способе энергия индуктивности рассеяния используется для установки нулевого тока и нулевого напряжения на ключевых элементах. В заявленном способе это обеспечивается тем, что создают параллельно-последовательный колебательный контур с индуктивным элементом, при этом приближают резонансные частоты параллельного и последовательного контуров к частоте преобразования постоянного напряжения таким образом, чтобы амплитуда напряжения первой полуволны апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента на его переключаемом выводе после отключения индуктивного элемента от потенциала постоянного напряжения, находилась на уровне противоположного подключаемого потенциала постоянного напряжения. При этом в заявленном способе частота последовательного контура приближается к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны нижних частот, и он частично выполняет роль LC-контура-накопителя энергии резонансного преобразователя постоянного напряжения в переменное, при этом подключается к постоянному напряжению при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах с возможностью изменения момента и времени подключения. Это упрощает изменение коэффициента заполнения при осуществлении широтно-импульсной модуляции в преобразователях постоянного напряжения в переменное и вторичных источниках питания с квазисинусоидальными формами тока и формами тока и напряжения или приближенными к ним. При этом, так как резонансная частота последовательного контура меньше частоты преобразования постоянного напряжения в переменное, то его емкость выполняет одновременно роль демпфирующей емкости, которая возвращает в нагрузку накопленную в нее энергию паразитных колебаний, а именно для установки нулевого напряжения на переключающих элементах. В результате повышается КПД преобразователя.
Из вышеизложенного следует, что заявляемый способ преобразования постоянного напряжения в переменное позволяет создавать преобразователи напряжения и вторичные источники электропитания с квазисинусоидальной формой тока и напряжения индуктивного элемента или приближенной к ним, аналогичных резонансному способу преобразования постоянного напряжения в переменное, с простым управлением широтно-импульсной модуляцией, аналогично способу ШИМ.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявляемый способ преобразования постоянного напряжения в переменное при осуществлении позволяет достичь технического результата, заключающегося в снижении уровня электромагнитных помех, в улучшении формы тока и напряжения индуктивного элемента, в повышении КПД преобразователя, в упрощении управления широтно-импульсной модуляции.
На фиг.1 приведен пример функциональной схемы преобразователя напряжения (в упрощенном виде), реализующего заявленный способ; на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие данный способ в частном случае применения: при постоянном коэффициенте заполнения; на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие данный способ при требовании изменения коэффициента заполнения для осуществления широтно-импульсной модуляции.
2
1
Преобразователь напряжения содержит первый 1 и второй 2 управляемые переключающие элементы-транзисторы, первый 3 и второй 4 диоды, индуктивный элемент 5, первый 6 и второй 7 емкостные элементы-конденсаторы. Транзисторы 1, 2 представляют собой, например, ДМОП-транзисторы и соединены последовательно: исток первого 1 транзистора соединен со стоком второго 2 транзистора. На затворы транзисторов 1, 2 поочередно с устройства управления (не показано) поступают управляющие сигналы в соответствии с частотой преобразования (фиг.2, 3, U, U). Сток первого 1 транзистора соединен с положительным потенциалом источника постоянного напряжения, а исток второго 2 транзистора соединен с отрицательным потенциалом. Параллельно переходу сток-исток транзисторов 1, 2 подключены соответственно первый 3 и второй 4 диоды соответственно. Кроме того, диоды 3, 4 соединены последовательно. Общая точка диодов 3, 4 соединена с переключаемым выводом индуктивного элемента 5, который вторым выводом соединен с первым конденсатором 6, второй вывод которого подключен к положительному потенциалу источника постоянного напряжения, кроме того, параллельно индуктивному элементу 5 подключен второй конденсатор 7.
В примере электрической схемы индуктивным элементом является первичная обмотка трансформатора. Емкость конденсатора 7 суммируется с межвитковой емкостью первичной обмотки трансформатора и емкостями коммутирующих элементов. Конденсатор С6 является элементом последовательного резонансного контура и одновременно выполняет функции демпфирующей емкости. Демпфирующая цепь образована конденсатором 6 и диодами 3, 4, через которые в случае превышения потенциала постоянного напряжения начальной амплитудой напряжения апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния первичной обмотки трансформатора, ток индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора передает энергию в демпфирующий конденсатор 6. Энергия, накопленная в демпфирующем конденсаторе 6, используется при создании нулевого тока и нулевого напряжения на ключевых элементах противоположного потенциала постоянного напряжения, что повышает КПД преобразователя.
Заявленный способ преобразования постоянного напряжения в переменное осуществляют следующим образом. В соответствии со способом индуктивный элемент с частотой преобразования подключают к источнику постоянного напряжения при нулевом токе и нулевом напряжении на переключающих элементах. Предварительно путем соответствующего подключения емкостных элементов создают параллельно-последовательный колебательный контур с индуктивным элементом. При этом приближают резонансные частоты параллельного и последовательного контуров к частоте преобразования постоянного напряжения таким образом, чтобы амплитуда напряжения первой полуволны апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента на его переключаемом выводе после отключения индуктивного элемента от потенциала постоянного напряжения, находилась на уровне противоположного подключаемого потенциала постоянного напряжения. Причем емкостью параллельного колебательного контура приближают частоту апериодических колебаний, создаваемых индуктивностью рассеяния индуктивного элемента, к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны высоких частот, а емкостью последовательного контура приближают резонансную частоту последовательного контура к частоте преобразования постоянного напряжения со стороны нижних частот.
В частном случае применения, при постоянном коэффициенте заполнения величины емкостей контура индуктивного элемента выбирают таким образом, чтобы начальная амплитуда напряжения апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента, устанавливалась на уровне противоположного подключаемого потенциала постоянного напряжения.
1
2
2
3
3
4
4
5
В течение времени t-t (фиг.2) переключаемый вывод индуктивного элемента подключен к отрицательному потенциалу постоянного напряжения -U. В момент времени t (фиг.2) его отключают. В момент времени t (фиг.2) начальная амплитуда напряжения апериодических колебаний, созданная индуктивностью рассеяния индуктивного элемента 5 на переключаемом выводе, устанавливается на уровне положительного потенциала постоянного напряжения +U и индуктивный элемент 5 подключают к положительному потенциалу постоянного напряжения. В течение времени t-t переключаемый вывод индуктивного элемента подключен к положительному потенциалу постоянного напряжения. В момент времени t его отключают. В момент времени t начальная амплитуда напряжения апериодических колебаний на переключаемом выводе устанавливается на уровне отрицательного потенциала постоянного напряжения -U и его подключают к отрицательному потенциалу постоянного напряжения. Ток Iиэ индуктивного элемента 5 имеет квазисинусоидальную форму, переменное напряжение Uиэ приближено к ней (фиг.2).
Точечной линией (фиг.2) показаны диаграммы переменного напряжения Uиэ и тока Iиэ при меньшей емкости последовательного контура индуктивного элемента. Переключаемый вывод индуктивного элемента в этом случае должен подключаться к потенциалам постоянного напряжения в моменты времени t1', t3', t5'.
При требовании изменения коэффициента заполнения для осуществления широтно-импульсной модуляции (фиг.3) величинами емкостей 6 и 7 контура индуктивного элемента устанавливают время установления и сохранения напряжения первой полуволны апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента 5, на уровне подключаемого потенциала постоянного напряжения на требуемое время. Точечной линией (фиг.3) показано напряжение первой полуволны апериодических колебаний без учета сохранения его на уровне подключаемого потенциала постоянного напряжения.
Переключаемый вывод индуктивного элемента в этом случае может подключаться к потенциалам постоянного напряжения в диапазон времени t1-t1', t3-t3', t5-t5', что позволяет изменять коэффициент заполнения при некотором увеличении амплитуды и частоты апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента. В данные промежутки времени ток индуктивности рассеяния передает энергию в емкость 6 последовательного контура индуктивного элемента, ток и напряжение на переключающих элементах равны нулю. Это позволяет осуществить широтно-импульсную модуляцию при некотором увеличении амплитуды и частоты апериодических колебаний, созданных индуктивностью рассеяния индуктивного элемента. Ток индуктивного элемента Iиэ имеет квазисинусоидальную форму, переменное напряжение Uиэ - трапецеидальную.
Энергия, накопленная в емкости 6, передается в нагрузку при обратном токе трансформатора и также используется для установления нулевого тока и нулевого напряжения на подключаемом выводе индуктивного элемента. Последнее повышает КПД преобразователя.
На практике при реализации заявленного способа соотношение между емкостями 7 и 6 последовательного и параллельного контуров составляет от 1:10 до 1:100 в зависимости от частоты преобразования.