РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ И ПЕРЕМЕННОЕ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕГО ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
RESONANT CONVERTER OF DC VOLTAGE INTO DC AND AC AND METHOD TO CONTROL ITS OUTPUT VOLTAGE

Изобретение относится к области электротехники и радиотехники и может быть использовано в качестве источников питания постоянного и переменного напряжений в различных областях народного хозяйства, например генераторов в радиосистемах и т.п.
Известен резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное (патент №2335841 RU, HO 2М 3/338, опубл. 10.10.08), содержащий мостовой инвертор на вентилях с обратной проводимостью, подключенный одной диагональю к источнику питания, трансформатор, первичная обмотка которого последовательно с индуктивностью L подключена ко второй диагонали инвертора, емкость С, шунтирующую вторую обмотку трансформатора, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, фильтр нижних частот в виде емкости, параллельно включенной с нагрузкой и подключенной к выпрямителю, и устройство управления, содержащее серию измерительных датчиков, вычислительное устройство и другие элементы. Индуктивность L, емкость С с сопротивлением нагрузки R образуют Г-образную колебательную цепь с резонансной частотой, в 2 раза большей частоты переключения инвертора.
Недостатки этого преобразователя:
- малая область регулировки (длительность импульса в пределах
- сильная зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки и ограничения по сопротивлению ρ<R<3ρ, где ρ - волновое сопротивление LCR-контура;
- весьма сложная система управления, так как при больших мощностях переход тока через нуль не определен и приходится вычислять момент включения и длительность так называемого «мертвого» времени, когда вентили отключены;
- низкая надежность и большие габариты;
- большое время настройки преобразователя.
Известен резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное и переменное (микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М.: "Додена - XXI" 2001 - 608 с.), выбранный в качестве прототипа, содержащий мостовой инвертор на вентилях с обратной проводимостью, подключенный одной диагональю к источнику питания, трансформатор, первичная обмотка которого последовательно соединенная с индуктивностью L и емкостью С, подключена ко второй диагонали инвертора, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, и Г-образный фильтр нижних частот, подключенный к выпрямителю и содержащий индуктивность, последовательно соединенную с параллельно включенными емкостью и сопротивлением нагрузки. Преобразователь также содержит устройство управления - микроконтроллер UC 3875, специально разработанный для управления резонансными преобразователями напряжения. Резонансная частота последовательного LCR-контура (где R - сопротивление суммарной нагрузки, приведенное к первичной стороне трансформатора) примерно равна частоте переключения инвертора, которая может регулироваться. «Мертвое» время, необходимое при работе преобразователя, также регулируется путем подбора двух RC-цепочек. Для получения хороших гармонических колебаний и подавления паразитных добротность контура должна быть достаточно большой (4-5). Выход трансформатора является выходом переменного напряжения.
Основным недостатком этого преобразователя является необходимость подбора упомянутых RC-цепочек с одновременной регулировкой частоты переключения для получения хорошей гармонической формы тока, что требует длительного времени настройки каждого конкретного преобразователя, ненадежно и снижает КПД преобразователя.
Недостатком являются также большие реактивные мощности на элементах L и С контура ввиду требования большой добротности, что увеличивает их габариты. Недостатком является также то, что при регулировке напряжения преобразователя «мертвое» время попадает в область гармонических токов и может нарушить форму тока и процесс управления.
Микроконтроллер UC 3875 (микросхемы для импульсных источников питания и их применение. - М.: "Додена - XXI" 2001 - 608 с.) реализует фазовый способ управления выходным напряжением преобразователя напряжения, который заключается в том, что формируют прямоугольные импульсы длительностью, равной половине периода резонансной частоты, и с частотой повторения несколько меньшей резонансной (регулируемая), и подают их на вентили одного плеча инвертора со сдвигом на полпериода этой частоты, причем между импульсами вентилей образуют регулируемое «мертвое» время. Аналогичные импульсы поступают и на вентили другого плеча инвертора. Управление напряжением преобразователя осуществляется изменением сдвига фаз φ между импульсными сигналами плеч инвертора. При этом изменяется время подключения нагрузочной цепи к источнику питания и тем самым изменяется длительность импульсов, подаваемых на колебательную нагрузочную цепь.
Недостатком этого способа является необходимость осуществления трех регулировок (частота переключения и две RC-цепочки) одновременно при настройке каждого преобразователя, а также то, что «мертвое» время врезается в область токов.
Это требует длительного времени настройки каждого конкретного преобразователя, снижает надежность и КПД преобразователя.
Известен способ управления резонансным преобразователем напряжения (патент №2335841 RU, НО 2М 3/338, опубл. 10.10.08), выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что формируют прямоугольные импульсы с заданной частотой повторения, подают их на входы вентилей инвертора с обратной проводимостью и таким образом переключают нагрузочную цепь относительно полюсов источника питания с этой же частотой, причем длительность импульсов, поступающих на первые вентили, подключенные к одному полюсу источника, равна половине периода частоты подключения инвертора, а длительность импульсов, поступающих на вентили, подключенные к другому полюсу, соответствует заданному уровню выходного напряжения преобразователя. При этом с помощью датчиков контролируют форму выходного тока, вычисляют момент прохождения тока через нуль, необходимую величину «мертвого» времени и момент его включения или изменение периода переключения инвертора.
Недостатком этого способа является его сложность и сложность реализации, что снижает КПД, надежность преобразователя, усложняет наладку, обслуживание и увеличивает габариты.
Целью изобретения является:
- повышение КПД преобразователя,
- повышение надежности,
- уменьшение габаритов,
- снижение стоимости и затрат на обслуживание,
- уменьшение времени наладки преобразователя,
- улучшение качества гармонического напряжения,
- стимулирование разработки микроконтроллеров, реализующих предложенный временной способ управления выходным напряжением резонансного преобразователя напряжения за счет
- установки гарантированного минимального «мертвого» времени и расположения его в узлах тока,
- минимального количества регулировок: частота переключения инвертора и уровень выходного напряжения,
- уменьшения значения реактивных мощностей элементов колебательной цепи,
- применения в качестве резонансной цепи фильтра высокого порядка (четвертого),
- упрощения устройств управления и использования в них стандартных микросхем, применяемых в преобразователях напряжений.
2
2
2
2
В соответствии с поставленной целью изобретения и предложенным техническим решением резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное и переменное, содержащий мостовой инвертор на вентилях с обратной проводимостью, подключенный одной диагональю к источнику питания, трансформатор, первичная обмотка которого последовательно соединенная с индуктивностью L и емкостью С, подключена ко второй диагонали инвертора, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, и фильтр нижних частот, например Г-образное звено, подключенный к выпрямителю, а также устройство управления, согласно техническому решению первичная обмотка трансформатора шунтирована емкостью С, которая с индуктивностью L трансформатора образует параллельный контур LCR, где R - сопротивление суммарной нагрузки, приведенное к первичной стороне трансформатора. Оба контура настроены на частоту, большую на 4-5% частоты переключения инвертора.
В преобразовании напряжения выход переменного напряжения в соответствии с предложенным техническим решением добротность контуров составляет 1-1,5, а устройство управления содержит микроконтроллер UC 3825 с навесными RC-элементами, соответствующими частоте переключения инвертора и режиму стабилизации выходного напряжения преобразователя, два D-триггера, D-входы которых заземлены, S-входы через логические элементы НЕ подключены к выходам 11, 14 микроконтроллера соответственно, С-входы подключены к выходу 4 микроконтроллера, прямые выходы триггеров через драйверы подключены к нерегулируемым вентилям инвертора (нижним или верхним), а выходы 11, 14 микроконтроллера через драйверы подключены к регулируемым вентилям (верхним или нижним).
Преобразователь имеет выход переменного напряжения с третьей обмотки трансформатора, в соответствии с предложенным техническим решением имеет добротность контуров 1,5-2, а устройство управления содержит микроконтроллер UC 3825 с навесными RC-элементами, соответствующими частоте переключения инвертора и длительности импульсов на выходах 11, 14 микроконтроллера, равной четверти периода резонансной частоты контуров (длительность регулируется), два D-триггера, S-входы которых через логические элементы НЕ подключены к выходам 11, 14 микроконтроллера соответственно, D-входы которых заземлены, С-входы подключены к выходу 4 микроконтроллера, интегратор, вход которого через элемент 2ИЛИ подключен к выходам 11, 14 микроконтроллера, инвертирующий усилитель, вход которого подключен к выходу интегратора, компаратор, прямой вход которого подключен к выходу усилителя, а инверсный подключен к регулируемому делителю напряжения, прямые выходы триггеров через драйверы подключены к нерегулируемым вентилям инвертора (верхним или нижним), два элемента 2И, одни входы которых подключены к выходу компаратора, а другие - к прямым выходам триггеров соответственно, выходы же элементов 2И подключены через драйверы к регулируемым вентилям инвертора (нижним или верхним).
В соответствии с поставленной целью в способе управления выходным напряжением резонансного преобразователя постоянного напряжения в постоянное и переменное, заключающемся в том, что формируют прямоугольные импульсы с заданной частотой повторения, подают их на входы вентилей мостового инвертора преобразователя и таким образом переключают нагрузочную цепь относительно полюсов источника питания с такой же частотой, причем длительность импульсов, поступающих на первые вентили, подключенные к одному полюсу, соответствует заданному уровню выходного напряжения, согласно предложенному техническому решению длительность импульсов, поступающих на первые вентили, равна половине периода колебаний контуров преобразователя и меньше половины периода переключения инвертора на величину минимального «мертвого» времени, составляющего стандартную величину (4-5% от полупериода переключения инвертора).
В способе управления выходным напряжением резонансного преобразователя напряжения передние фронты импульсов, поступающих на те и другие вентили, совпадают.
В способе управления выходным напряжением резонансного преобразователя напряжения центры тех и других совпадают.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
На фиг.1, 2 представлены электрические схемы (варианты) заявляемого резонансного преобразователя постоянного напряжения в постоянное и переменное.
На фиг.3 представлена электрическая схема устройства управления выходным напряжением заявляемого преобразователя по варианту 1.
На фиг.4 представлена схема устройства управления выходным напряжением заявляемого преобразователя по варианту 1 в виде микроконтроллера, аналогичного UC 3825.
На фиг.5 представлена схема устройства управления выходным напряжением заявляемого преобразователя по варианту 2.
На фиг.6 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия заявляемого преобразователя по варианту 1.
На фиг.7 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия заявляемого преобразователя по варианту 2.
На фиг.8 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия преобразователя-прототипа с управляющим устройством UC 3875.
На фиг.9 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия преобразователя по патенту №2335841 RU, способ управления которого является прототипом заявляемого способа управления.
1
1
2
2
Резонансный преобразователь постоянного напряжения в постоянное и переменное, фиг.1 и 2, содержит мостовой инвертор 1 на вентилях с обратной проводимостью 2, 3, 4, 5, подключенный диагональю 2,5-3,4 к источнику питания Еп, колебательную цепь 6, содержащую индуктивность 7 (L), емкость 8 (C), емкость 9 (С), трансформатор 10 с индуктивностью L, причем емкость 9 шунтирует первичную обмотку трансформатора 10, а индуктивность 7, емкость 8 и первичная обмотка трансформатора соединены последовательно и подключены к другой диагонали 2,3-4,5 инвертора, мостовой выпрямитель 11 с диодами 12, 13, 14, 15, подключенный к вторичной обмотке трансформатора 10, и фильтр нижних частот 16, содержащий индуктивность 17, последовательно соединенную с параллельно соединенными емкостью 18 и сопротивлением нагрузки 19.
Выход переменного напряжения на нагрузку 20 на фиг.1 осуществляется непосредственно от вторичной обмотки трансформатора 10, а на фиг.2 от третьей обмотки, чем обеспечивается гальваническая развязка постоянного и переменного напряжений.
2
Индуктивность 7 и емкость 8 образуют последовательный контур, а индуктивность трансформатора L с емкостью 9 - параллельный контур, а вместе это полосовой фильтр четвертого порядка с заданной резонансной частотой
Такой фильтр обеспечивает хорошее подавление гармоник независимо от величины сопротивления нагрузки при малой добротности контуров (1-1,5), т.е. малой реактивной мощности на его элементах. Например, уровень 3 гармоники по отношению к первой при добротностях 1,5 составляет ()
Имеем также
1
1
2
2
Напряжение на индуктивности L и емкости C в 1,5 раза больше, чем на нагрузке (приведенной к первичной стороне трансформатора), а ток в индуктивности L и в емкости С в 1,5 раза больше, чем на нагрузке.
Устройство управления напряжением заявляемого преобразователя по варианту 1, фиг.3, содержит микроконтроллер UC 3825, навесные элементы RC которого обеспечивают заданную частоту переключения инвертора, «мертвое» время (цепочка RC подключена к входам 5, 6, 7 микроконтроллера), мягкий запуск (емкость, подключенная ко входу 8), стабилизацию и уровень выходного напряжения (делитель, подключенный ко входу 16, задает опорное напряжение на входе 2, цепочка RC, подключенная к входам 3, 2, работает в цепи интегратора, делитель, подключенный ко входу 1, задает уровень выходного напряжения), выходы 11, 14 через драйверы подключены к регулируемым вентилям 3, 4 преобразователя (рисунки 1, 2), 2 D-триггера T1, T2, D-входы которых заземлены, 5 - входы через логические элементы НЕ 3, 4 подключены к выходам 11, 14 микроконтроллера, а прямые через драйверы подключены к нерегулируемым вентилям 2, 5 преобразователя (фиг.1, 2).
Работа заявляемого преобразователя по варианту 1 поясняется временными диаграммами, фиг.6.
3
4
3
4
2
5
Микроконтроллер UC 3825 формирует на выходах 11, 14 импульсы U, U (фиг.6в) с частотой переключения инвертора, задаваемой цепочкой RC (входы 5, 6, 7 UC) и длительностью τ, соответствующей уровню выходного напряжения преобразователя, а также короткие импульсы (выход 4 UC), длительность которых определяет «мертвое» время (4-5% от периода переключения инвертора). Импульсы U, U (фиг.6в) переключают триггеры T1, T2 в единичное состояние, импульс с выхода 4 UC переключает их в нуль, в результате на прямых выходах триггеров формируются импульсы U, U (фиг.6а) длительностью, равной периоду резонансной частоты колебательной цепи. Регулировкой частоты переключения инвертора легко можно подобрать длительность импульсов триггеров под заданное значение резонансной частоты с учетом жесткого «мертвого» времени. Импульсы с выходов 11, 14 UC и с выходов триггеров через драйверы поступают на входы соответствующих вентилей и в результате на выходе инвертора формируется напряжение U (фиг.6с) типа меандра и длительностью, соответствующей регулируемому выходному напряжению преобразователя. Как известно, в напряжении типа меандра присутствуют только нечетные гармоники 1, 3, 5 … и т.д. с относительными амплитудами 1, 1/3, 1/5 …
1
1
2
2
В силу свойств колебательной цепи L C L C R напряжение первой гармоники (резонансная частота) сфазировано с входным током и выходным напряжением колебательной цепи. Импульс напряжения U на входе инвертора можно представить в виде двух бесконечных скачков напряжения. Откликом колебательной цепи на каждый скачок будет синусоида входного тока и выходного напряжения, сдвиг этих синусоид равен длительности импульса τ. Таким образом, ток инвертора и напряжение на выходе трансформатора будут определяться разностью двух синусоид со сдвигом τ: синусоида от начала импульса до его конца и далее спад до нуля, а нуль - на середине отрезка  фиг.6с). Как следует из изложенного, ток инвертора и выходное напряжение негармонические. Для получения постоянного напряжения это не имеет значения, а для переменного определим уровень третьей гармоники относительно первой, например при  то есть при максимальном напряжении питания. Применяя преобразование Фурье, имеем
1
m
3
m
3
1
I=0,887 I, I=0,056 I, I/I=0,056/0,887=0,063
1
2
0
Следует также учесть, что наша колебательная цепь неидеальна и соотношение гармоник на ее выходе при  Q=Q=1,5, Ω=f/f=3
Суммарный уровень третьей гармоники составит 0,08=8%. Для многих применений этот уровень приемлем, в противном случае нужно применять дополнительную фильтрацию. При минимальном
Кратность токов  зависит от τ и составляет при τ=Т/2-π/2=1,5 а при τ=Т/4-2,2. В силу свойств предложенной колебательной цепи уровень выходного напряжения не зависит от изменения сопротивления нагрузки от номинального до холостого хода и определяется средним уровнем напряжения на входе инвертора (если его выпрямить).
2
Таким образом, добавление одной емкости С, использование трансформатора как элемента колебательной цепи, выбор предложенных значений добротности звеньев этой цепи, предложенного устройства управления является существенным признаком и позволяет достичь цели изобретения. Новизна заключается в том, что впервые в преобразователях напряжения использован фильтр высокого порядка с указанными параметрами, а также новое устройство управления, фиг.3, 4.
Устройство управления резонансным преобразователем постоянного напряжения в постоянное и переменное по варианту 2 фиг.5 содержит микроконтроллер UC 3825 с навесными элементами, соответствующими заданной частоте переключения инвертора и «мертвому времени» (RC-цепочка, подключенная к входам 5, 6, 7 UC), мягкому запуску (емкость на входе 8 UC), длительности импульсов на выходах 11, 14 UC, равной  (делитель напряжения на входах 2, 16 UC), 2 D-триггера T1, T2, D-входы которых заземлены, S-входы - через логические элементы НЕ 3, 4 подключены к выходам 11, 14 UC, интегратор 5, вход которого через элемент 2 ИЛИ 6 подключен к выходам 11, 14 UC, инвертирующий усилитель 7, вход которого подключен к интегратору 5, компаратор 8, прямой вход которого подключен к выходу усилителя 7, а инверсный - к делителю напряжения, регулирующему выходное напряжение преобразователя, две логические схемы 2И 9, 10, подключенные одними входами к выходу компаратора 8, а другие входы подключены к выходам триггеров T1, T2 соответственно, прямые выходы триггеров T1, T2 через драйверы подключены к входам нерегулируемых вентилей 2, 5 преобразователя, фиг.1, 2, а выходы элементов 9, 10 подключены к входам регулируемых вентилей 3, 4.
рег
вых
Принцип действия резонансного преобразователя по варианту 2 поясняется временными диаграммами фиг.7. Микроконтроллер формирует на выходе 4 UC импульсы, соответствующие «мертвому времени», а на выходах 11, 14 UC-импульсы, длительность которых равна четверти периода резонансной частоты, с частотой переключения инвертора. Эти импульсы поступают на входы S и С триггеров, в результате на выходах триггеров T1, T2 формируются импульсы фиг.7а), b) длительностью, равной половине периода резонансной частоты, которые через драйверы управляют нерегулируемыми вентилями 2, 5 инвертора (фиг.1, 2). Импульсы с выходов 11, 14 UC запускают интегратор 5, в результате на выходе интегратора формируется симметричное двухскатное пилообразное напряжение, которое после инвертирования усилителем 7 имеет форму фиг.7с). Это напряжение на компараторе 8 сравнивается с опорным U, и в результате на выходе компаратора образуются импульсы длительностью τ, которые после логического умножения с выходным импульсами триггеров T1, T2 формируют импульсы фиг.7d), e), центрированные с импульсами фиг.7а), b), и через драйверы, управляющие регулируемыми вентилями 3, 4 инвертора, фиг.1, 2. В результате на выходе инвертора формируется импульсное напряжение типа меандра, фиг.7g), импульсы которого длительностью τ центрированы относительно моментов переключения инвертора и «мертвого времени». Первая гармоника этого напряжения (косинусоида) также центрирована относительно тех же моментов при любой длительности импульсов. В силу свойств колебательной цепи ток на входе колебательной цепи и напряжение на ее выходе имеют также форму косинусоиды и то же местоположение, фиг.7g) -U, I. Ток протекает либо через включенные вентили (2-4, 3-5), либо через включенные нерегулируемые вентили 2, 5 и обратные диоды этих же вентилей ,  фиг.7g), то есть ток не прерывается.
Таким образом, на выходе преобразователя всегда имеем переменное напряжение гармонической формы, амплитуда которого не зависит от сопротивления нагрузки (коэффициент передачи колебательной цепи на резонансной частоте равен 1), ток через инверторы также гармонический, отношение токов  «мертвое время» находится всегда в нуле тока, а содержание третьей гармоники (определено выше) составляет 1,6% относительно первой. Область регулировки - весь полупериод .
На фиг.8 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия управляющего устройства UC 3875, управляющего, например, преобразователем, фиг.1.
На выходах UC формируются импульсные сигналы фиг.8а), управляющие левым плечом 2, 3 инвертора. Длительность импульсов составляет половину периода резонансной частоты, а сдвиг по фазе между импульсами вентилей в итоге составляет половину периода резонансной частоты плюс «мертвое время». Таким образом включенные состояния вентилей 2, 3 в плече разделены «мертвым временем».
Такие же сигналы поступают на вентили правого плеча (фиг.8b).
Регулировка уровня выходного напряжения осуществляется путем изменения сдвига фаз между импульсными сигналами плеч. При этом изменяется время подключения нагрузочной цепи к источнику питания, соответствующее импульсным сигналам фиг.8с). На выходе инвертора имеем напряжение типа меандра, фиг.8е).
Особенности этой системы управления в том, что при отключении вентилей 2, 3 (фиг.8с) ток колебательной цепи не прерывается, так как в это время вход ее замыкается вентилями 5-3 и 4-2, и колебательная цепь переходит в режим свободных колебаний.
Из фиг.8d) видно, что «мертвое время» врезается в область токов, и показано, что может произойти при этом: паразитные колебания и искажение формы импульса. Основной же недостаток этого устройства управления заключается в том, что указанная длительность импульсов достигается путем трех регулировок: изменением частоты переключения и изменением «мертвого времени» двух плеч инвертора (RC-цепочки).
На фиг.6 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия преобразователя, патент №2335841 RU.
n
вых
Рассмотрен случай пониженного напряжения источника питания E≈U и два режима работы: режим малой мощности, когда длительность импульсов регулируемых вентилей малая, и режим большой мощности, когда длительность этих импульсов большая. Согласно способу управления вентили 2, 5 - регулируемые, а вентили 3, 4 - нерегулируемые, с длительностью импульса, равной половине периода частоты переключения, частота контура в 2 раза больше частоты переключения инвертора.
1
2
3
4
Имеем 4 цикла: время t перезаряд емкости С контура и заряд индуктивности L. Этот цикл составляет  периода, и при этом ток в нагрузку не поступает; t - ток постоянный, поддерживается непосредственно источником питания и поступает в нагрузку; t - разряд индуктивности на нагрузку; t - отсутствие тока до начала следующих циклов.
3
В режиме большой мощности (при том же напряжении питания) цикл t заходит в область следующего полупериода, причем включение «мертвого времени» ничего не дает, так как напряжение источника и выходное напряжение равны. Отсюда следует, что необходимо увеличить период колебаний, то есть уменьшить частоту переключения.
n
вых
Случай E>U рассмотрен в (патент №2335841, фиг.5), откуда следует, что преобразователь должен иметь серию датчиков и вычислительных устройств, то есть весьма сложную систему управления, что и является его недостатком. Кроме того, сопротивление нагрузки имеет ограничение. Это следует из равенства энергий заряда индуктивности и перезаряда емкости:
откуда имеем
По условию
4
t=0;
max
2
При R=R; t=0:
Ограничение сопротивления:
ρ<R<3ρ
Данное техническое решение позволяет повысить КПД преобразователя, повысить надежность, уменьшить габариты, снизить стоимость и затраты на обслуживание, уменьшить время наладки преобразователя, улучшить качества гармонического напряжения,