ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ СИНУСОИДАЛЬНОЕ

Заявленное техническое решение относится к преобразовательной технике и предназначено для преобразования постоянного напряжения низкого уровня в переменное напряжение синусоидальной формы высокого уровня, и может быть использовано в источниках бесперебойного питания, в автомобильной технике и в устройствах автоматики.
Известен преобразователь постоянного напряжения в выходное переменное квазисинусоидальное напряжение, у которого выходной трансформатор имеет отводы, расположенные симметрично относительно средней точки, с применением в качестве коммутирующих ключей силовых биполярных транзисторов, шунтированных диодами [Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи / B.C.Моин. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.204].
Основным недостатком данного устройства является применение в качестве ключей биполярных транзисторов, наличие неосновных носителей в области базы которых вызывает задержку при выключении.
Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное [Локсеев О. Преобразователь 12/220 В / О.Локсеев // Радиолюбитель, 2000, №7, с.14.], с применением в качестве коммутирующих ключей мощных полевых транзисторов.
Недостатком данного устройства является высокий коэффициент гармоник выходного напряжения на нагрузке, ухудшающий энергетические показатели преобразователя.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное [Патент РФ на изобретение №2402146, МПК Н02М 7/501. Опубл. в Б.И. №29, 20.10.2010], содержащий задающий генератор, делитель частоты, состоящий из двух двоичных счетчиков, декодеры/демультиплексоры, транзисторный инвертор, диоды, MOSFET-транзисторы в качестве ключей, стоки которых подключены к отводам первичной обмотки силового выходного трансформатора.
Недостатком прототипа является отсутствие фильтра низкой частоты на выходе преобразователя постоянного напряжения в переменное, что проявляется в высоком уровне высокочастотных гармонических составляющих в выходном напряжении, недостаточная надежность, а также большое количество элементов в схеме управления MOSFET-транзисторами, что обусловливает высокую сложность и стоимость устройства.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в улучшении энергетических показателей преобразователя, повышении надежности работы, а также снижении стоимости преобразователя.
Данная задача достигается за счет того, что преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное содержит задающий генератор, силовой трансформатор, содержащий дополнительные отводы в каждой полуобмотке первичной обмотки силового выходного трансформатора, которые подключены к стокам MOSFET-транзисторов, средний отвод обмотки силового трансформатора подключен к положительному полюсу источника постоянного тока, причем задающий генератор выполнен на основе микроконтроллера и работает по программе, обеспечивающей управление MOSFET-транзисторами таким образом, чтобы форма выходного напряжения была максимально близка к синусоидальной, каждый выход задающего генератора соединен с управляющим выводом MOSFET-транзистора через соответствующий драйвер, причем количество выходов задающего генератора соответствует количеству MOSFET-транзисторов, стоки которых соединены с выводами полуобмоток трансформатора через диоды, а на выходе преобразователя постоянного напряжения в переменное с целью снижения высокочастотных гармонических составляющих в выходном напряжении включен фильтр низкой частоты (ФНЧ). Кроме того, в качестве силовых ключей могут быть применены IGBT-транзисторы с соответствующими драйверами.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение формирования синусоидальной кривой выходного напряжения с малым коэффициентом гармоник на выходе преобразователя при питании от источника постоянного напряжения, что выражается в улучшении энергетических показателей преобразователя и повышение надежности его работы, а также снижение количества элементов в схеме управления, что приводит к упрощению конструкции и снижению стоимости преобразователя.
На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя постоянного напряжения в переменное синусоидальное. На фиг.2 представлены временные диаграммы напряжения на выходной обмотке силового трансформатора до ФНЧ (а) и после ФНЧ (б).
Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное (фиг.1) содержит задающий генератор 1, выполненный на основе микроконтроллера, выходы которого соединены с группой драйверов 2 и группой драйверов 3, выходы группы драйверов 2 подключены к затворам группы силовых ключей (MOSFET-транзисторов) 4, выходы группы драйверов 3 подключены к затворам группы силовых ключей 5. Стоки MOSFET-транзисторов групп 4 и 5 подключены через группы диодов 6 и 7 к отводам первичной обмотки силового выходного трансформатора 8. Группы диодов 6 и 7 включены последовательно с группами транзисторов 4 и 5 для исключения протекания токов короткого замыкания по цепи: начало секции полу обмотки - переход сток - исток открытого транзистора - обратный диод закрытого транзистора - конец секции полуобмотки, что обеспечивает повышение надежности преобразователя. Отводы в первичной обмотке силового трансформатора 8 выполняются так, чтобы обеспечить требуемые коэффициенты трансформации при включении каждого транзистора для формирования синусоидального выходного напряжения.
Предлагаемый преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное работает следующим образом. При подаче от источника постоянного тока 9 напряжения питания на преобразователь, начинает работать задающий генератор 1, выполненный на основе микроконтроллера, на выходах которого в соответствии с программой формируются импульсы напряжения, которые через группы драйверов 2 и 3 поступают на затворы силовых ключей групп 4 и 5 (MOSFET-транзисторов), и поочередно открывают и закрывают их. Открытый силовой ключ обеспечивает протекание тока по цепи: положительный полюс источника постоянного тока 9 - соответствующая секция первичной полуобмотки силового трансформатора 8 - диод - переход сток-исток силового ключа - отрицательный полюс источника постоянного тока 9.
Одну полуволну выходного синусоидального напряжения формирует группа MOSFET-транзисторов 4, а вторую полуволну выходного синусоидального напряжения формирует группа MOSFET-транзисторов 5, поочередное включение/выключение которых происходит в соответствии с программой микроконтроллера. Затем вновь формируется первая полуволна выходного напряжения, и далее процессы повторяются. ФНЧ 8 снижает уровень высокочастотных составляющих в выходном напряжении (фиг.2).
Предложенное техническое решение позволяет снизить уровень высокочастотных гармонических составляющих в выходном напряжении, повысить надежность работы, а также уменьшить количество элементов в схеме управления, что обеспечивает упрощение и снижение стоимости преобразователя постоянного напряжения в переменное синусоидальное.