Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное

 

Полезная модель 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. Преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит задающий генератор на основе микроконтроллера, диоды, включенные последовательно с силовыми ключами, и низкочастотный фильтр на выходе преобразователя. Предложенное техническое решение позволяет снизить уровень высокочастотных гармонических составляющих в выходном напряжении, повысить надежность, а также уменьшить количество элементов в схеме управления, что делает преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное более надежным, простым и дешевым. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

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.

1. Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное по п.1, отличающийся тем, что в качестве силовых ключей применены IGВТ-транзисторы с соответствующими драйверами.

Инвертор напряжения статический ИНС

Характеристика	Значение
Номинальное напряжение сети, В	220 (по заказу 48, 60, 110, 230, 320, 440, 660)
Диапазон изменения напряжения сети, %	(-20 … +20)
КПД, %	92-95
Количество фаз	3 (3 фазы и ноль) или 1 (фаза и ноль)
Номинальное напряжение, В — трехфазный выход, линейное напряжение — однофазный выход, фазное напряжение	380 (по заказу — 127, 220, 230, 400, 660, 690) 220 (по заказу — 127, 230)
Диапазон изменения напряжения сети, %	(-15 … +15)
Частота, Гц	50 ± 10%
Количество фаз	3 (3 фазы и ноль) или 1 (фаза и ноль)
Номинальное напряжение, В — трехфазный выход, линейное напряжение — однофазный выход, фазное напряжение	380 (по заказу — 127, 220, 230, 400, 660, 690) 220 (по заказу — 127, 230)
Частота, Гц	50 ± 0,1%
Диапазон регулирования выходного напряжения, %	(-5 … +5)
Выходная мощность, кВА	5, 7. 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 300, 400
Точность стабилизации выходного напряжения (установившееся значение отклонения действующего значения) при работе на симметричную нагрузку, % не более	1
Форма выходного напряжения	Синусоида
Коэффициент нелинейного искажения выходного напряжения КНИ, %, не более	2, при работе на линейную симметричную нагрузку 5, при работе на нелинейную симметричную нагрузку
Гальваническая развязка выхода от сети постоянного тока	Да
Количество фаз	3 (3 фазы и ноль) или 1 (фаза и ноль)
Номинальное напряжение, В — трехфазный выход, линейное напряжение — однофазный выход, фазное напряжение	380 (по заказу — 127, 220, 230, 400, 660, 690) 220 (по заказу – 127, 230)
Диапазон изменения напряжения сети	(-15 … +15)
Частота, Гц	50 (±1% или ±10%)
КПД, %, не менее	99
Количество фаз	3 (3 фазы и ноль) или 1 (фаза и ноль)
Номинальное напряжение, В — трехфазный выход, линейное напряжение — однофазный выход, фазное напряжение	380 (по заказу — 127, 220, 230, 400, 660, 690) 220 (по заказу – 127, 230)
Выходная мощность, кВА	5, 7. 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 300, 400
Время переключения между выходом инвертора и резервным вводом от сети переменного тока, мс, не более	5, при наличии синхронизации 10, при отсутствии синхронизации
Интерфейсы связи с АСУ ТП	Ethernet RS-485 GSM (оптоволокно / медь)
Протоколы связи с АСУ ТП	ГОСТ Р МЭК 60870-5-104 MMS (IEC 61850-8-1) Modbus RTU/TCP

Повышающие (повышающие) регуляторы | TI.com

Наш обширный портфель повышающих регуляторов включает синхронные и асинхронные устройства для приложений от миллиампер до 100 А с эффективностью до 96%. Наши продукты обладают такими ключевыми характеристиками, как низкий ток покоя (I _Q ) для увеличения срока службы батареи, высокая удельная мощность для небольших размеров и технология расширенного спектра для снижения электромагнитных помех. Вы можете найти решения Boost, SEPIC и обратного хода.

Технические ресурсы

Белая бумага

Информационный документ

Как проектировать повышающие, SEPIC или обратноходовые регуляторы с широкими ИС питания VIN

В этом документе объясняется, как реализовать повышающие, SEPIC или обратноходовые регуляторы с повышающими ИС управления питанием и как выбрать правильное решение.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Примечание по применению

Примечание по применению

Базовый расчет силового каскада повышающего преобразователя (Rev. D)

В данных рекомендациях по применению приведены уравнения для расчета силового каскада повышающего преобразователя, построенного на ИС со встроенным переключателем и работающего в режиме непрерывной проводимости.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Примечание по применению

Указания по применению

Выбор диода Шоттки в асинхронных повышающих преобразователях

Узнайте, как выбрать правильный диод для достижения максимальной эффективности и производительности вашей конструкции.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Ресурсы для проектирования и разработки

Инструмент для проектирования

WEBENCH® Power Designer

WEBENCH® Power Designer создает индивидуальные схемы электропитания в соответствии с вашими требованиями. Среда предоставляет вам комплексные возможности проектирования источников питания, которые экономят ваше время на всех этапах процесса проектирования.

Инструмент моделирования

PSpice® for TI инструмент проектирования и моделирования

PSpice® for TI — это среда проектирования и моделирования, помогающая оценить функциональность аналоговых схем. В этом полнофункциональном пакете для проектирования и моделирования используется модуль аналогового анализа от Cadence®. Доступный бесплатно PSpice для TI включает в себя одну из крупнейших библиотек моделей в (…)

Инструмент для проектирования

Инструмент Power Stage Designer™ для наиболее часто используемых импульсных источников питания

Power Stage Designer ^TM — это инструмент на основе JAVA (требуется JAVA 8 или OpenJDK 8), который помогает инженерам ускорить разработку своих источников питания путем расчета напряжений и токов в 20 топологиях в соответствии с данными пользователя. Кроме того, Power Stage Designer содержит инструмент построения графика Боде и (…)

Как работает повышающий DC-DC преобразователь – x-engineer.

org

В некоторых электрических системах у нас есть источник низкого напряжения (например, 24 В), и нам нужно питать компонент, требующий более высокого напряжения (например, 120 В). Есть несколько способов поднять более низкое напряжение до более высокого напряжения. Когда отношение выходного напряжения к входному напряжению составляет от 1 до 5, используется повышающий преобразователь постоянного тока .

А повышающий DC-DC преобразователь представляет собой класс импульсного источника питания, который содержит как минимум два полупроводниковых ключа (диод и транзистор) и как минимум два компонента накопления энергии (конденсатор и катушка индуктивности). Схема повышающего ШИМ преобразователя постоянного тока показана на изображении ниже.

Изображение: схема повышающего преобразователя постоянного тока

где:

В _IN [В] – входное напряжение (ниже, например, 24)
В _OUT [В] – выходное напряжение (больше, например, 120)
L [Гн] – индуктивность дросселя нагрузки
C [Ф] – емкость конденсатора фильтра
R [Ом] – сопротивление резистора (нагрузки)
D – диод
S – ключ (транзистор, обычно силовой MOSFET)
i _L [A] – ток через дроссель
i _D [A] – ток через диод
i _OUT [A] – выходной ток

переключатель (S) управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Его выходное напряжение В _OUT [В] всегда выше, чем входное напряжение V _IN [В] во время работы в установившемся режиме. Другими словами, он «повышает» напряжение до более высокого уровня.

Как это работает? Прежде всего, нам нужно знать, что переключатель (S) включается и выключается с частотой переключения f _s = 1/T [Гц] и имеет коэффициент заполнения ON D = t _ON / T [-], где:

T [с] – период (длительность) сигнала ШИМ
t _ON [s] – интервал времени, в течение которого переключатель (S) находится в положении ON

Также есть два режима, в которых работает повышающий DC-DC преобразователь:

• режим непрерывной проводимости (CCM) : означает, что ток в дросселе никогда не достигает нуля между циклами переключения;
• режим прерывистой проводимости (DCM) : означает, что ток достигает нуля в течение части цикла переключения.

В этой статье мы рассмотрим только повышающий DC-DC преобразователь, работающий в CCM. Чтобы упростить уравнения, определяющие схему, мы собираемся сделать следующие предположения:

• транзистор (мощный MOSFET) и диод будут считаться идеальными переключателями;
• Выходная емкость транзистора, емкость диода и индуктивность выводов (и, следовательно, коммутационные потери) считаются равными нулю.

Существуют два основных состояния повышающего преобразователя постоянного тока:

• переключатель (S) ВКЛ. (замкнут), когда 0 < t ≤ D·T
• переключатель (S) ВЫКЛ. (разомкнут), когда D· T < t ≤ T

Проведем анализ схемы для каждого состояния.

Переключатель (S) включен (замкнут)

В этом состоянии переключатель (S) включен, а диод (D) смещен в обратном направлении (выключен). Ток и магнитный поток в индукторе начинают увеличиваться. Поскольку диод (D) выключен, он отделяет нагрузочный резистор от низкоомной части цепи (коллектор-эмиттер транзистора). Ток нагрузки поддерживается за счет энергии, запасенной в конденсаторе.

Изображение: Цепь повышающего преобразователя постоянного тока – переключатель замкнут

Напряжение на диоде составляет v _D = −V _OUT , вызывая обратное смещение диода. Напряжение на дросселе v _L = V _IN . В результате ток дросселя увеличивается линейно с наклоном V _IN ∕L. Напряжение на ключе v _S = 0. Следовательно, увеличивается и магнитная энергия в индукторе. Ток ключа равен току катушки индуктивности, а ток диода равен нулю.

Напряжение на дросселе В _{L 9{t}{V_{IN}dt} + i_{L}(0) = \frac{V_{IN}}{L}t + i_{L}(0) \tag{2}\]}

, где i _L (0) – начальный ток дросселя в момент времени t = 0.

На этом этапе ток дросселя продолжает расти и достигает максимального значения в конце временного интервала, когда t = D·T. Из уравнения (2) мы можем найти максимальный (пиковый) ток дросселя как:

\[i_{L}(DT) = \frac{V_{IN} \cdot D \cdot T}{L} + i_{L }(0) \tag{3}\]

Размах тока дросселя выражается как:

\[\Delta i_{L} = i_{L}(DT) – i_{L}(0) = \frac{V_{IN} \cdot D \cdot T}{L} + i_{L}( 0) – i_{L}(0) = \frac{V_{IN} \cdot D \cdot T}{L} \tag{4}\]

Мы знаем, что период T [с] равен обратная частота коммутации f _с  [Гц]:

\[T = \frac{1}{f_{s}} \tag{5}\]

Замена (5) в (4) дает выражение размаха тока катушки индуктивности повышающего преобразователя постоянного тока, когда переключатель (S) замкнут, как:

\[\Delta i_{L} = \frac{V_{IN} \cdot D}{ f_{s} \cdot L} \tag{6}\]

Переключатель (S) ВЫКЛ.

(разомкнут)

В этом состоянии переключатель (S) ВЫКЛ., и магнитный поток в индукторе начинает уменьшаться. Электродвижущие силы в обмотке тянут в направлении, противоположном тому, когда транзистор был включен. В результате диод является проводящим, и выходное напряжение V _OUT [В] представляет собой сумму входного напряжения V _IN  [В] и напряжения на катушке индуктивности v _L [В]. Ток через индуктор уменьшается и достигает своего минимума в конце периода Т [с]. Ток переключения i 9{t} (V_{IN} – V_{OUT}) dt + i_{L}(DT) = \frac{V_{IN} – V_{OUT}}{L} (t – DT) + i_{L} (DT) \tag{8}\]

Минимальный ток дросселя находится в конце цикла (периода) при t = T:

\[i_{L}(T) = \frac{V_{IN } – V_{OUT}}{L} (T – DT) + i_{L}(DT) \tag{9}\]

Размах пульсаций тока дросселя:

\[ \Delta i_{L} = i_{L}(DT) – i_{L}(T) \tag{10}\]

Замена (10) в (9) дает выражение для размаха индуктивности ток повышающего преобразователя постоянного тока, когда переключатель (S) разомкнут, как:

\[\Delta i_{L} = i_{L}(DT) – \frac{V_{IN} – V_{OUT}}{L} (T – DT) – i_{L}(DT) = \ frac{(V_{OUT} – V_{IN})(1 – D)T}{L} \tag{11}\]

Учитывая, что изменение тока дросселя в течение периода включения (уравнение (4) ) и период ВЫКЛ (уравнения (11)) равны или средний ток дросселя за один цикл переключения равен нулю, можно вывести следующие уравнения:

\[\frac{V_{IN} \cdot D \cdot T}{ L} + \frac{(V_{OUT} – V_{IN})(1 – D)T}{L} = 0 \tag{12}\]

Упрощение общих членов уравнений (12) дает выражение функции выходного напряжения от входного напряжения и коэффициента заполнения:

\[\bbox[#FFFF9D]{V_{OUT} = \frac{V_{IN}} {1-D}} \tag{13}\]

Идеализированные формы сигналов повышающего преобразователя постоянного тока

Идеализированные формы сигналов токов и напряжений, поясняющие принцип работы повышающего преобразователя, представлены на изображении ниже.