ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при построении вторичных источников электропитания, бесперебойных систем электроснабжения и регулируемых электроприводов.
Известна преобразовательная ячейка, состоящая из последовательно соединенных силовых ключей, каждый из которых имеет собственные, независимые один от другого узлы управления (драйверы), питающиеся от отдельных гальванически развязанных источников питания [1]. Данная схема является универсальной, может использоваться в мостовых инверторах различной конфигурации и способна реализовывать практически любые законы управления. Недостатком схемы является ее структурная и схемотехническая сложность, предполагающая наличие двух независимых развязанных источников вспомогательного питания и гальванической развязки сигналов управления как друг от друга, так и от внешней системы управления.
Известна также преобразовательная ячейка, состоящая из последовательно соединенных силовых ключей, каждый из которых также имеет собственные узлы управления (драйверы) и один источник вспомогательного питания. Драйвер "верхнего" ключа питается от "плавающего" конденсатора, заряжаемого через специально введенный в схему диод в процессе коммутации силовых ключей ячейки [2]. Данная схема может успешно работать во многих преобразовательных структурах в широком диапазоне напряжений питания, но ее возможности по реализации ряда законов управления ограничены. Это связано с принципом организации питания драйвера "верхнего" ключа ячейки, который способен формировать сигнал управления ключом только до тех пор, пока не разрядится питающий его "плавающий" конденсатор. Если длительность внешнего сигнала управления больше времени разряда конденсатора, ключ естественным образом запирается, и преобразовательная ячейка уже не способна работать в штатном режиме. Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к описываемой полезной модели.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является расширение функциональных возможностей устройства при сохранении его структурной и схемотехнической простоты.
Технический результат достигается за счет того, что преобразовательная ячейка содержит последовательно соединенные и имеющие управляющий, положительный силовой и отрицательный силовой электроды, первый, связанный с положительным входным выводом, и второй, связанный с отрицательным входным выводом, силовые ключи, точка соединения которых подключена к выходному выводу, имеющие положительный и отрицательный выводы питания узлы управления, выходы которых подключены к управляющим, а отрицательные выводы питания - к отрицательным силовым электродам соответствующих силовых ключей, конденсатор, подключенный к выводам питания первого узла, выводы вспомогательного питания, первый из которых подключен к положительным выводам питания узлов управления, причем к первому узлу - через диод, а второй - к отрицательному выводу питания второго узла управления, входы узлов управления, одного непосредственно, а другого - через логический инвертор, связаны с выходом логического элемента ИЛИ, первый вход которого связан с генератором импульсов, а второй с выводом управления.
На чертеже фиг.1 приведена схема полезной модели.
Устройство содержит подключенные к входным выводам 1 и 2 последовательно соединенные силовые ключи 3 и 4, связанные с выходным выводом 5. Выходы узлов управления 6 и 7 связанны с управляющими электродами силовых ключей. Входы узлов управления связаны с выходом логического элемента ИЛИ 8, один непосредственно, а другой - через логический инвертор 9. Первый вход логического элемента ИЛИ 9 подключен к управляющему выводу 10, а второй - генератору импульсов 11. Первый вывод 12 вспомогательного питания через диод 13 подключен к одному из выводов конденсатора 14, а второй вывод 15 вспомогательного питания соединен с отрицательным электродом силового ключа 4.
Устройство работает следующим образом. Будем считать, что к входным выводам 1 и 2 и выводам вспомогательного питания 12 и 15 подключены соответствующие источники питания. Пусть на управляющий вывод 10 подается сигнал, который, проходя через логический элемент ИЛИ и расщепляясь на его выходе с помощью логического инвертора 9, формирует на выходах узлов управления 6 и 7 сигналы, в соответствии с которыми силовой ключ 3 ("верхний") должен быть закрыт, а силовой ключ 4 ("нижний") - открыт. По цепи, образованной выходным выводом 5, открытым ключом 4 и отрицательным входным выводом 2 протекает ток нагрузки. Поскольку силовой ключ 4 открыт, по контуру, образованному первым выводом 12 вспомогательного питания, диодом 13, открытым силовым переходом ключа 4 и вторым выводом 15, осуществляется заряд конденсатора 14, питающего узел управления 6.
При смене сигнала на управляющем выводе 10 на противоположный ключ 3 открывается, а ключ 4 закрывается. Ток нагрузки протекает по цепи положительный входной вывод 1 - открытый силовой ключ 3 - выходной вывод 5. Если время разряда конденсатора 14, питающего узел управления 6, больше времени открытого состояния ключа 3, определяемого внешней системой регулирования, то все время до последующего момента изменения внешнего сигнала силовой ключ 3 находится в открытом состоянии, и при изменении сигнала схема штатно переключается, и в ней начинают протекать процессы, описанные выше.
Если время, которое "верхний" ключ должен быть открыт, превышает время, которое разряжающийся конденсатор 14 может нормально питать узел управления 6, последний, при достижении напряжения на конденсаторе критического значения независимо от состояния внешнего сигнала управления снимает сигнал на своем выходе. Оба силовых ключа оказываются в запертом состоянии, не предусмотренного логикой работы схемы и несанкционированного внешней системой регулирования.
Для предотвращения подобной ситуации в схеме предусмотрен генератор импульсов 11. Частота следования импульсов генератора выбирается исходя из времени разряда конденсатора 14 до критического уровня, а длительность импульсов определяется временем, необходимым для его нормального заряда. Учитывая схемотехнику контуров заряда и разряда конденсатора, длительность импульса может быть достаточно мала, а время разряда - относительно велико. Частота следования и длительность импульсов при этом должны быть таковыми, чтобы не оказывать заметного влияния на основные процессы в схеме, определяемые управляющим сигналом. Генератор может работать как синхронно, так и асинхронно по отношению к внешнему управляющему сигналу.
Генератор 11, независимо от состояния входного сигнала, через второй вход логического элемента ИЛИ 8 и узлы управления 6 и 7 принудительно переводит "верхний" силовой ключ 3 в закрытое состояние, а "нижний" силовой ключ 4 - открытое. Тем самым создается контур для периодической подзарядки конденсатора 14 и обеспечивается устойчивое питание узла управления 6. Узкие импульсы, формируемые генератором с помощью элемента ИЛИ, накладываются на внешний сигнал управления и, учитывая их малую длительность и относительно низкую частоту следования, не оказывают заметного влияния на основные режимы работы преобразовательной ячейки.
Использование данной схемы преобразовательной ячейки позволяет применять простой принцип "плавающего" конденсатора для управления силовыми ключами в большом числе преобразовательных структур с различными законами управления не вводя каких-либо ограничений на частоту и скважность управляющих сигналов.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под ред. С.А.Грузкова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2005-2008. Том 2, стр.116-117.
2. В.И.Мелешин "Транзисторная преобразовательная техника, Моска, Техносфера, 2005. Стр.482-483.