RU113894U1 - DC CONVERTER TO SINUSOID AC VARIABLE - Google Patents

Abstract

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. The utility model relates to a conversion technique and is intended to convert a low-level direct voltage to an alternating voltage of a high-level sinusoidal shape, and can be used in uninterruptible power supplies, in automotive equipment and in automation devices. The DC-AC converter contains a master oscillator based on a microcontroller, diodes connected in series with power switches, and a low-pass filter at the converter output. The proposed technical solution allows to reduce the level of high-frequency harmonic components in the output voltage, to increase reliability, and also to reduce the number of elements in the control circuit, which makes the DC-to-Sine-wave converter more reliable, simple and cheap. 2 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

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.The claimed technical solution relates to a conversion technique and is intended to convert a low-level direct voltage to an alternating voltage of a high-level sinusoidal shape, and can be used in uninterruptible power supplies, in automotive vehicles and in automation devices.

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].A known converter of direct voltage to an output alternating quasi-sinusoidal voltage, in which the output transformer has taps located symmetrically relative to the midpoint, using power bipolar transistors shunted by diodes as switching keys [Moin B.C. Stabilized Transistor Converters / B.C. Moin. - M .: Energoatomizdat, 1986, p.204].

Основным недостатком данного устройства является применение в качестве ключей биполярных транзисторов, наличие неосновных носителей в области базы которых вызывает задержку при выключении.The main disadvantage of this device is the use of bipolar transistors as keys, the presence of minority carriers in the base area of which causes a delay when turned off.

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.A known converter of direct voltage to AC [Lokseev O. Converter 12/220 V / O. Lokseev // Radio amateur, 2000, No. 7, p.14.], Using powerful field-effect transistors as switching keys.

Недостатком данного устройства является высокий коэффициент гармоник выходного напряжения на нагрузке, ухудшающий энергетические показатели преобразователя.The disadvantage of this device is the high harmonic distortion of the output voltage at the load, worsening the energy performance of the Converter.

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.The closest technical solution (prototype) is a DC-to-sinusoidal converter [RF Patent for the invention No. 2402146, IPC Н02М 7/501. Publ. in B.I. No. 29, 10/20/2010], containing a master oscillator, a frequency divider consisting of two binary counters, decoders / demultiplexers, a transistor inverter, diodes, MOSFET transistors as keys, the drains of which are connected to the taps of the primary winding of the power output transformer.

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.The disadvantage of the prototype is the lack of a low-pass filter at the output of the DC-to-AC converter, which manifests itself in a high level of high-frequency harmonic components in the output voltage, insufficient reliability, as well as a large number of elements in the control circuit of MOSFET transistors, which leads to high complexity and cost of the device.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в улучшении энергетических показателей преобразователя, повышении надежности работы, а также снижении стоимости преобразователя.The task to which the claimed technical solution is directed is to improve the energy performance of the converter, increase the reliability of the operation, as well as reduce the cost of the converter.

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.This task is achieved due to the fact that the DC-to-sinusoidal converter contains a master oscillator, a power transformer containing additional taps in each half-winding of the primary winding of the power output transformer, which are connected to the drains of the MOSFET transistors, the middle tap of the winding of the power transformer is connected to the positive pole a direct current source, and the master oscillator is based on a microcontroller and operates according to a program that provides control MOSFET transistors so that the shape of the output voltage is as close as possible to a sinusoidal one, each output of the master oscillator is connected to the control output of the MOSFET transistor through the corresponding driver, and the number of master oscillator outputs corresponds to the number of MOSFET transistors, the drains of which are connected to the terminals of the transformer half-windings through diodes, and at the output of the DC / AC converter in order to reduce high-frequency harmonic components in the output voltage and the low-pass filter (LPF) is on. In addition, IGBTs with corresponding drivers can be used as power switches.

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.The technical result provided by the given set of features is to ensure the formation of a sinusoidal output voltage curve with a small harmonic coefficient at the output of the converter when powered by a constant voltage source, which is reflected in an improvement in the energy performance of the converter and an increase in the reliability of its operation, as well as a decrease in the number of elements in the control circuit , which leads to a simplification of the design and lower cost of the Converter.

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).Figure 1 shows the structural diagram of a DC-DC to AC sinusoidal converter. Figure 2 presents the timing diagram of the voltage at the output winding of the power transformer before the low-pass filter (a) and after the low-pass filter (b).

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.The DC to AC sinusoidal converter (Fig. 1) contains a master oscillator 1 based on a microcontroller, the outputs of which are connected to the driver group 2 and driver group 3, the outputs of the driver group 2 are connected to the gates of the power switch group (MOSFET transistors) 4, the outputs of the driver group 3 are connected to the gates of the power switch group 5. The drains of the MOSFET transistors of groups 4 and 5 are connected through the groups of diodes 6 and 7 to the taps of the primary winding of the power output transformer 8. The groups of diodes 6 and 7 are turned on after It is consistent with groups of transistors 4 and 5 to prevent short-circuit currents flowing through the circuit: the beginning of the semi-winding section - the drain transition - the source of the open transistor - the reverse diode of the closed transistor - the end of the half-winding section, which increases the reliability of the converter. The taps in the primary winding of the power transformer 8 are made so as to provide the required transformation ratios when each transistor is turned on to form a sinusoidal output voltage.

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.The proposed Converter DC to AC sinusoidal works as follows. When a supply voltage is supplied from the DC 9 source to the converter, the master oscillator 1, made on the basis of the microcontroller, starts to work, the outputs of which, in accordance with the program, generate voltage pulses, which through the driver groups 2 and 3 go to the gates of the power switches of groups 4 and 5 (MOSFETs), and alternately open and close them. An open power switch ensures that current flows through the circuit: the positive pole of the DC source 9 - the corresponding section of the primary half-winding of the power transformer 8 - diode - drain-source transition of the power switch - negative pole of the DC source 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).A group of MOSFET transistors 4 forms one half-wave of the output sinusoidal voltage, and a group of MOSFET transistors 5 forms the second half-wave of the output sinusoidal voltage, which are switched on / off in accordance with the microcontroller program. Then the first half-wave of the output voltage is formed again, and then the processes are repeated. Low-pass filter 8 reduces the level of high-frequency components in the output voltage (figure 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.The proposed technical solution allows to reduce the level of high-frequency harmonic components in the output voltage, increase the reliability, and also reduce the number of elements in the control circuit, which simplifies and reduces the cost of the DC-DC to AC sinusoidal converter.

Claims (2)

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.1. A DC to AC sinusoidal converter containing a master oscillator, a power transformer containing additional taps in each half winding of the primary winding of the power output transformer, which are connected to the drains of the MOSFET transistors, the middle tap of the winding of the power transformer is connected to the positive pole of the DC source, different the fact that the master oscillator is made on the basis of the microcontroller and works according to the program that provides control of the MOSFET transistors Thus, so that the shape of the output voltage is as close as possible to a sinusoidal one, each output of the master oscillator is connected to the control output of the MOSFET transistor through the corresponding driver, and the number of outputs of the master oscillator corresponds to the number of MOSFET transistors, the drains of which are connected to the terminals of the transformer half-windings through diodes, and at the output of the DC-to-AC converter in order to reduce high-frequency harmonic components in the output voltage, a low filter pilots at. 2. Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное по п.1, отличающийся тем, что в качестве силовых ключей применены IGВТ-транзисторы с соответствующими драйверами.

2. The dc-to-sine wave converter according to claim 1, characterized in that IGBT transistors with corresponding drivers are used as power switches.