СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫМ СТАБИЛИЗИРОВАННЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в многоканальных ключевых транзисторных преобразователях постоянного напряжения, выполненных по схеме с дросселем-накопителем (с обратным включением диодов).

Преобразование входной мощности в энергию магнитного поля в дросселе-накопителе с последующей выдачей этой энергии во вторичные цепи широко применяется для малой и средней мощности. При этом контролируют одно из выходных напряжений и по его отклонению от задания изменяют параметры (длительность, частоту) импульсов включения ключа, управляющего зарядом дросселя-накопителя. В общем случае (без применения специальных мер) подъем напряжений на незагруженных источниках может достигать 30-40 и более процентов. Причин нестабильности выходных напряжений в основном две: наличие индуктивности рассеяния первичной обмотки дросселя-накопителя, на которой накапливается дополнительная энергия, приводящая при разряде дросселя на нагрузки к выбросам напряжений, а также "неидеальность" конденсаторов фильтров, содержащих (конденсаторы) паразитные индуктивности и сопротивления, приводящие к весьма значительным выбросам напряжений в момент замыкания цепей дросселя (трансформатора) на разряд в нагрузки.

Известен многоканальный преобразователь постоянного напряжения указанного типа, который кроме традиционных элементов схемы с дросселем-накопителем, содержит также узел ограничения скорости нарастания напряжения на силовом ключе и силовой многообмоточный трансформатор с выпрямителями и фильтрами в выходных цепях вторичных обмоток, подключенный первичной обмоткой в параллель к накопительному дросселю. Управление силовым ключом этого преобразователя реализовано по отклонению одного из выходных напряжений от заданной величины.

В данном преобразователе стабилизирующий эффект достигается за счет уменьшения отрицательного влияния индуктивности рассеяния накопительного дросселя на стабильность выходных напряжений, сформированных с помощью силового трансформатора, индуктивность рассеяния которого много меньше, чем у дросселя. Однако дестабилизирующий фактор, обусловленный неидеальностью выходных конденсаторов, остается, поскольку при управлении по одному вторичному напряжению он не учитывается - стабилизация обеспечивается только на контролируемом канале.

Известен многоканальный конвертор, выполненный по схеме с дросселем-накопителем при заданном соотношении между емкостью фильтрующего конденсатора, числом витков вторичной обмотки и током нагрузки в каждом из каналов (C_i ω_i/I_i = const). Управление выходными напряжениями в этом конверторе осуществляют, изменяя частоту (и/или длительность) импульсов управления силовым ключом по отклонению одного из рабочих напряжений от заданного значения.

Стабилизирующий эффект при этом также недостаточен для всех, кроме контролируемого, каналов, поскольку условие, задающее соотношение параметров, срабатывает только при фиксированных нагрузках. В общем же случае, когда требуется приемлемая стабильность выходных напряжений при произвольно изменяющихся нагрузках, предусмотренное равенство не выполняется даже при пропорциональных изменениях нагрузок, поскольку постоянные времени выходных каналов изменяются с изменением нагрузок, а постоянная времени цепи обратной связи - обмотка 12 со своим выпрямителем и фильтром - остается постоянной.

Способ стабилизации, реализуемый в известном конверторе, принят за прототип предложенного способа как наиболее близкий по характеру решаемой задачи и достигаемому эффекту.

Цель изобретения - улучшение стабильности выходных напряжений преобразователя при произвольном изменении нагрузок.

Цель достигается тем, что согласно способу управления многоканальным стабилизированным импульсным преобразователем постоянного напряжения, содержащим в каждом из каналов емкостный фильтр, соединенный с выходом соответствующего канала и через выпрямитель подключенный к соответствующей обмотке многообмоточного индуктивного элемента, заключающемуся в том, что контролируют напряжение на выходе одного из каналов, сравнивают его с эталонным напряжением и по результату сравнения изменяют параметры импульсов управления силовым ключом преобразователя, дополнительно измеряют входную или выходную мощность преобразователя и пропорционально ей изменяют нагрузку в выходной цепи контролируемого канала.

Предлагаемый способ управления преобразователями определяется следующей последовательностью действий.

В процессе работы преобразователя непрерывно измеряют его мощность, формируют пропорционально измеренной мощности нагрузку на одну из обмоток индуктивного элемента. Это может быть первичная обмотка, отдельная вторичная обмотка или обмотка в одной из выходных цепей преобразователя. Контролируют выходное напряжение в нагруженном канале, сравнивая его с заданной величиной, и по отклонению изменяют скважность (частоту, длительность) импульсов, управляющих силовым ключом преобразователя.

Фактически на контролируемом канале формируется нагрузка, пропорциональная средней нагрузке преобразователя, и постоянная времени фильтра канала также определяется средней нагрузкой преобразователя.

Сущность предлагаемого способа показана на примере реального случая, когда величиной изменения напряжения на конденсаторе фильтра за период можно пренебречь
ΔU_Cj = ∫To

i_jdt≈ 0,
что практически всегда обеспечивается выбором конденсаторов фильтров достаточно большой емкости. В этом случае при идеальных конденсаторах (индуктивности L_cj и сопротивления R_cj равны нулю), при идеальном дросселе ( (M_jk= , что соответствует индуктивностям рассеяния L_pacj, равным нулю), и пренебрегая падением напряжения на выпрямительном диоде, имеем
e_j = K ω_j = U_cj, (1) где e_j - ЭДС j-й обмотки;
ω_j - число витков j-й обмотки;
К - коэффициент пропорциональности;
U_cj- напряжение на конденсаторе C_j.

Напряжения на всех выходных конденсаторах U_cj пропорциональны числу витков ω_j соответствующих обмоток, а
U_выхj = U_cj. (2)
При реальных конденсаторах и реальном индуктивном элементе, имеющем индуктивности рассеяния L_pacj, можно приближенно записать
e_j=Kω_j=L_расj + L_Cj, (3)
а U_выхj представлено выражением
U_выхj=L_Cj + R_Cj(i_j-i_Hj)+U_Cj, (4) где i_j - ток j-й обмотки;
i_нj - ток нагрузки j-го канала.

Среднее значение составляющей
L_Cj + R_Cj(i_j-i_Hj)=0,
поэтому величина
L_расj + L_Cj +R_Cj(i_j-i_Hj) (5)
представляет мгновенное значение превышения напряжения на обмотках ω_j над напряжениями конденсаторов U_cj, т.е. над средними значениями выходных напряжений U_выхj.

Как видно из выражения (5), это превышение, определяемое как параметрами L_pacj, L_cj, R_cj, так и переменными - i_j, i_нj и , стремится к нулю при нагрузке соответствующего канала, стремящейся к нулю.

Напряжение на ненагруженном источнике стремится к максимуму:
U_cj = K ω_j,
причем это максимальное значение может очень существенно (на десятки процентов) превышать средние напряжения при номинальных нагрузках, определяемые из выражения (4).

Устранить влияние составляющих, определяемых параметрами L_p, L_c, R_c, невозможно, но можно попытаться сделать эти влияния приблизительно равными, что и достигается (частично) в прототипе выбором конденсаторов С в соответствии с выражением
= const (6)
При таком выборе конденсаторов (при условии, что они одного типа) обеспечивается и приблизительная пропорциональность величины L_cj и R_cj
L_Cj ~ R_Cj~ (7)
Но выражение (6) должно относиться ко всем каналам, в том числе и к каналу с обмоткой обратной связи. Если же нагрузки преобразователя изменяются (пусть даже пропорционально), то выражение (6), удовлетворяя выходным каналам преобразователя, перестает стыковаться с каналом обратной связи, нагрузка которого неизменна. В этом случае напряжения на всех выходах остаются действительно пропорциональными, но перестают быть постоянными.

В предлагаемом способе условие (6) выполняется для канала измерения по усредненному значению величины с учетом весовых коэффициентов, что обеспечивает минимизацию ошибки (минимизацию отклонений U_выхjотносительно номинала) и стабилизацию выходных напряжений по всем каналам.

Известно устройство управления многоканальным транзисторным преобразователем постоянного напряжения с дросселем-накопителем и фильтрующими конденсаторами в выходных цепях, содержащее блок управления силовым ключом преобразователя и узел сравнения, подключенный измерительным входом к фильтрующему конденсатору одного из выходных каналов. Структурная проработка узлов блока управления и узла сравнения в этом устройстве обеспечивает пропорциональное управление током базы силового ключа и повышение стабильности напряжения на всех выходах за счет уменьшения влияния паразитной индуктивности рассеяния накопительного дросселя.

Недостатком этого устройства является то, что при произвольно изменяющихся нагрузках изменения выходных напряжений не контролируются и не учитываются, что ухудшает стабильность выходных напряжений.

Цель изобретения - улучшение стабильности выходных напряжений преобразователя при произвольном изменении его нагрузок.

Цель достигается тем, что в устройство для управления многоканальным стабилизированным импульсным преобразователем постоянного напряжения, снабженным многообмоточным индуктивным элементом и на каждый из каналов емкостным фильтром, соединенным с выходом соответствующего канала и через выпрямитель подключенным к соответствующей выходной обмотке многообмоточного индуктивного элемента, входная обмотка которого соединена с силовой цепью силового управляемого ключа, содержащее узел сравнения, вход которого предназначен для подключения к выходу одного из каналов, а выход соединен с входом блока формирования управляющих импульсов, выход которого предназначен для подключения к управляющему входу силового ключа, введены узел регулируемой нагрузки и трансформатор тока, по крайней мере одна из первичных обмоток которого предназначена для последовательного включения с одной из обмоток многообмоточного индуктивного элемента, а вторичная обмотка соединена с управляющим входом узла регулируемой нагрузки, силовой вход которого подключен к входу узла сравнения.

Кроме того, в устройство введен резистор, предназначенный для включения последовательно с входом узла сравнения.

Трансформатор тока может быть выполнен многообмоточным, причем каждая из его первичных обмоток предназначена для включения последовательно с соответствующей выходной обмоткой многообмоточного индуктивного элемента преобразователя и выполнена с числом витков, пропорциональным числу витков этой обмотки.

Узел регулируемой нагрузки может быть выполнен в виде транзистора по крайней мере одного диода, резистора и конденсатора, причем эмиттер транзистора подключен к первому выводу управляющего входа и через диодную цепь соединен с базой транзистора, подключенной к вторым выводам управляющего и силового входов и через конденсатор соединенной с коллектором транзистора, через резистор подключенным к первому выводу силового входа.

На фиг. 1, 2 и 3 показана схема устройства управления при различных вариантах включения модели суммарной нагрузки в силовой контур преобразователей указанного типа; на фиг.4 - схема выполнения регулируемой нагрузки.

Устройство управления содержит блок 1 формирования управляющих импульсов, подключенный к его управляющему входу узел 2 сравнения, выпрямитель 3, конденсатор 4, с выводами которого соединен узел 5 регулируемой нагрузки, управляемый по току с выхода трансформатора тока 6, осуществляющего измерение мощности преобразователя.

Связь узла 5 регулируемой нагрузки с выпрямителем 3-4 может быть непосредственной или выполненной через компаундирующий резистор 7.

Устройство управления на фиг.1 и 2 показано в составе преобразователя постоянного напряжения с многообмоточным индуктивным элементом 8, подключенным через силовой управляемый ключ 9 к питающим входам, узлом 10 ограничения скорости нарастания напряжения на ключе и выпрямительными диодами 11 с фильтрующими конденсаторами 12 в выходных цепях.

Элементы 3-6 образуют модель суммарной нагрузки, подключенной на схеме фиг.1 к отдельной обмотке индуктивного элемента 8, а также к первичной цепи индуктивного элемента 8 (фиг.2).

На схеме фиг. 1 трансформатор 6 имеет одну первичную обмотку, которая включена в цепь силового управляемого ключа 9.

На фиг.2 трансформатор 6 тока имеет несколько первичных обмоток, включенных в выходные цепи между диодами 11 и конденсаторами 12. Количество витков в каждой из включаемых в выходную цепь обмоток трансформатора 6 пропорционально числу витков в обмотке индуктивного элемента 8 этой цепи.

На фиг.3 устройство управления показано в составе преобразователя, также выполненного по схеме с дросселем-накопителем, силовая часть которого, кроме традиционных элементов такой схемы, содержит многообмоточный выходной силовой трансформатор 13, подсоединенный первичной обмоткой непосредственно и через диод 14 к выводам индуктивного элемента 8.

Первичная обмотка трансформатора 6 тока в этом преобразователе включается в первичную цепь трансформатора 13.

Узел регулируемой нагрузки 5 может быть построен по схеме транзисторного генератора тока (фиг. 4) и содержит транзистор 15, база-коллекторный переход которого зашунтирован конденсатором 16, а база-эмиттерный - диодами 17, и резистор 18, подключенный к коллектору транзистора 15. База-эмиттерный переход транзистора 15 служит входом управления нагрузки.

Устройство по схеме фиг.2 (в варианте с первичными обмотками трансформатора 6 тока в цепях вторичных обмоток индуктивного элемента 8 преобразователя) работает следующим образом.

При каждом такте работы преобразователя (при выключении управляемого силового ключа 9) в каждой из этих первичных обмоток возникают импульсы тока, среднее значение которых (площадь, умноженная на частоту) пропорционально токам соответствующих выходных каналов, а среднее значение ампер-витков в силу заданного условия (число витков обмотки трансформатора тока пропорционально числу витков соответствующей силовой обмотки, т.е. выходному напряжению) пропорционально мощности каналов. Следовательно, суммарный вторичный ток трансформатора 6 тока пропорционален суммарной выходной мощности. Этот ток через эмиттер-коллекторный переход транзистора 15 узла 5 регулируемой нагрузки в отрицательной полярности поступает в ее конденсатор 16, создавая падение напряжения на резисторе 18 и дополнительную нагрузку выпрямителя 3 модели, пропорциональную общей нагрузке преобразователя и независящую от перераспределения мощностей по выходным каналам. Таким образом и обеспечивается минимизация отклонений выходных напряжений от номинальных значений.

В преобразователе с силовым трансформатором 13 (фиг.3) обмотка трансформатора 6 тока, включенная в его первичную цепь, измеряет всю протекающую вторичную мощность без деления по каналам.

Реально при реализации устройства по одной из этих двух структур могут не контролироваться для упрощения каналы, мощность которых мала по сравнению с общей мощностью преобразователя. В преобразователях с многообмоточным индуктивным элементом это могут быть каналы, в которые не введены обмотки трансформатора 6 тока, а для схемы с силовым трансформатором - каналы, обмотки которых выполнены на дросселе-накопителе.

Включение одной первичной обмотки трансформатора тока в цепь силового ключа (фиг.1) приводит к простому решению, но с ограниченной сферой применения. В этом случае измеряется входная мощность преобразователя с допущением постоянства входного напряжения. Однако, так как входное напряжение в общем случае подвержено изменениям, это решение приемлемо при ограниченном диапазоне колебаний входного напряжения.

Таким образом, в отличие от известных решений (и прототипа) предлагаемое решение обеспечивает управление по параметру, реагирующему на изменения токовых нагрузок преобразователя. При увеличении токов в нагрузках увеличивается ток модели, при уменьшении - уменьшается, а контролируемая обмотка индуктивного элемента 8 (трансформатора 13) с выпрямителем и фильтром находится в том же режиме (с той же постоянной времени), что и все выходные обмотки (в среднем), т.е. с тем же процентным падением напряжения и с такими же пульсациями, что и обеспечивает соответствующее повышение стабильности всех выходных напряжений.

Согласно способу в преобразователе с дросселем - накопителем измеряют входную или выходную мощность и на выходном канале, представленном отдельным выпрямителем и фильтром, формируют нагрузку, пропорциональную измеренной мощности. Управление силовым ключом ведут, контролируя напряжение на этой нагрузке. В соответствии с вариантом устройств по способу измерение мощности осуществляют, измеряя зарядный или разрядные токи дросселя - накопителя трансформатора тока, а формирование регулируемой нагрузки - выпрямляя вторичный ток трансформатора тока и подавая его через транзисторный генератор тока и вычитающей полярности на выход контролируемого канала. Осуществление на контролируемом канале нагрузки, пропорциональной средней нагрузке преобразователя по всем каналам, обеспечивает минимизацию отклонений выходных напряжений от номиналов при произвольных изменениях загрузок. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления многоканальным стабилизированным импульсным преобразователем постоянного напряжения, содержащим в каждом из каналов емкостной фильтр, соединенный с выходом соответствующего канала и через выпрямитель подключенный к соответствующей обмотке многообмоточного индуктивного элемента, заключающийся в том, что контролируют напряжение на выходе одного из каналов, сравнивают его с эталонным напряжением и по результату сравнения изменяют параметры импульсов управления силовым ключом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью улучшения стабильности выходных напряжений преобразователя при произвольном изменении его нагрузок, измеряют входную или выходную мощность преобразователя и пропорционально ей изменяют нагрузку в выходной цепи контролируемого канала. 2. Устройство для управления многоканальным стабилизированным импульсным преобразователем постоянного напряжения, снабженным многообметочным индуктивным элементом и на каждый из каналов емкостным фильтром, соединенным с выходом соответствующего канала и через выпрямитель подключенным к соответствующей выходной обмотке многообмоточного индуктивного элемента, входная обмотка которого соединена с силовой цепью силового управляемого ключа, содержащее узел сравнения, вход которого предназначен для подключения к выходу одного из каналов, а выход соединен с входом блока формирования управляющих импульсов, выход которого предназначен для подключения к управляющему входу силового ключа, отличающееся тем, что, с целью улучшения стабильности выходных напряжений преобразователя при произвольном изменении его нагрузок, введены узел регулируемой нагрузки и трансформатор тока, по крайней мере одна из первичных обмоток которого предназначена для последовательного включения с одной из обмоток многообмоточного индуктивного элемента, а вторичная обмотка соединена с управляющим входом узла регулируемой нагрузки, силовой вход которого подключен к входу узла сравнения. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введен резистор, предназначенный для включения последовательно с входом узла сравнения. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что трансформатор тока выполнен многообмоточным, причем каждая из его первичных обмоток предназначена для включения последовательно с соответствующей выходной обмоткой многообмоточного индуктивного элемента преобразователя и выполнена с числом витков, пропорциональным числу витков этой обмотки. 5. Устройство по пп. 2 - 4, отличающееся тем, что узел регулируемой нагрузки выполнен в виде транзистора, по крайней мере одного диода, резистора и конденсатора, причем эмиттер транзистора подключен к первому выводу управляющего входа и через диодную цепь соединен с базой транзистора, подключенной к вторым выводам управляющего и силового входов и через конденсатор соединенной с коллектором транзистора, через резистор подключенным к первому выводу силового входа.