СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СТАБИЛИЗИРОВАННОЕ ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ Российский патент 1995 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания с синусоидальной формой потребляемого тока.

Известны способы управления импульсными преобразователями постоянного напряжения, содержащими силовой ключ, сглаживающий конденсатор во входной цепи и заключающиеся в том, что периодически с переменной скважностью замыкают и размыкают силовой ключ [1 и 2]
Недостатком известных способов управления является то, что при использовании таких преобразователей, управляемых этими способами, в источниках электропитания, содержащих на входе выпрямители и емкостные фильтры, и подключаемых к источнику переменного входного напряжения, эти источники имеют низкий коэффициент мощности. Это обусловлено импульсным характером тока, потребляемого источниками электропитания от источника входного переменного напряжения, причем форма и фаза потребляемого тока не совпадает с формой и фазой питающего напряжения. Кроме того, эти импульсы тока вносят значительные помехи, ухудшают электромагнитную совместимость источников с другими потребителями и понижают надежность работы входных сетевых разъемов и выключателей.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления преобразователем переменного напряжения в стабилизированное постоянное напряжение, содержащим дроссель, сглаживающий конденсатор и зарядный диод сглаживающего конденсатора во входной цепи преобразователя, два силовых ключа, частота коммутации которых значительно выше частоты входного переменного напряжения преобразователя, один дроссель в выходной цепи преобразователя, заключающийся в том, что периодически с переменной скважностью замыкают и размыкают силовые ключи, поддерживая стабильным значение выходного постоянного напряжения преобразователя и синтезируя синусоидальную форму потребляемого тока от источника входного переменного напряжения [3]
К недостаткам известного способа управления относятся низкий КПД, обусловленный тем, что вся мощность, отдаваемая в нагрузку, последовательно преобразуется в каждом из двух каскадов преобразователя. Кроме того, второй силовой ключ преобразователя работает при повышенном напряжении (максимальное напряжение на втором силовом ключе более чем в два раза выше максимального напряжения на первом силовом ключе), чем обусловлены большие потери, возникающие при коммутации этого ключа;
низкая надежность и ограниченная область применения, так как при данном способе управления для получения выходного постоянного напряжения, величина которого ниже амплитудного значения переменного входного напряжения, в состав преобразователя должны входить два каскада с индивидуальными цепями обратной связи. Соотношение постоянных времени этих обратных связей могут вызвать при переходных процессах в питающей сети и нагрузке большие отклонения как формы потребляемого тока, так и величины выходного постоянного напряжения. Эти переходные сопровождаются по току и перенапряжениями на элементах преобразователя, что требует увеличения их установочной мощности;
плохие массогабаритные показатели, так как каждый из силовых ключей имеет индивидуальные цепи управления и формирователи управляющего сигнала. Кроме того, в составе преобразователя необходим дополнительный узел, формирующий пусковой сигнал для первого каскада при прохождении входного переменного напряжения через ноль, что усложняет преобразователь и увеличивает число применяемых элементов;
большой уровень и широкий спектр генерируемых электромагнитных помех, так как первый силовой ключ преобразователя коммутируется с изменяющейся частотой, второй с неизменной, причем соотношение частот коммутаций ключей меняется в зависимости от тока нагрузки от величины входного переменного напряжения.

Изобретение направлено на улучшение массогабаритных показателей, повышение надежности и КПД, расширение функциональных возможностей преобразователя переменного напряжения в стабилизированное постоянное напряжение путем стабилизации постоянного выходного напряжения преобразователя и формирования синусоидального потребляемого тока как минимум одним силовым ключом.

При осуществлении изобретения может быть получен следующий технический результат:
улучшенные массогабаритные показатели, так как и стабилизация выходного постоянного напряжения и синтез синусоидальной формы потребляемого тока осуществляется при помощи, как минимум, одного силового ключа, что упрощает конструкцию преобразователя и сокращает число применяемых элементов. Кроме того, нет необходимости в формировании дополнительного синхронизирующего сигнала;
повышенная надежность и более широкие функциональные возможности, так как при предлагаемом способе управления отсутствуют при переходных процессах большие отклонения как выходного постоянного напряжения, так и формы потребляемого тока, обусловленные наличием и взаимодействием двух обратных связей, как это имеет место в прототипе. Кроме того, однокаскадное построение преобразователей, в которых может быть реализован предлагаемый способ управления, обеспечивает построение более простого и эффективного контура контроля и ограничения амплитудного значения импульса тока силового ключа. Это определяется тем, что в изобретении, за счет использования двух дросселей в разных режимах (входной в режиме с прерывистым током, выходной в режиме непрерывного тока, соответственно) стабилизация выходного постоянного напряжения осуществляется изменением коэффициента заполнения замкнутого состояния ключа, а синтез синусоидальной формы потребляемого тока путем изменения частоты коммутации силового ключа, причем изменения этих параметров мало зависят друг от друга;
более высокие значения КПД, так как исключен второй каскад преобразования напряжения, а максимальное значение напряжения на разомкнутом силовом ключе уменьшено и соответствует напряжению на силовом ключе первого каскада прототипа.

Изобретение характеризуется следующими существенными признаками.

Способ управления преобразователем переменного напряжения в стабилизированное постоянное напряжение, содержащем, как минимум, один дроссель, сглаживающий конденсатор и зарядный диод сглаживающего конденсатора во входной цепи преобразователя, силовой ключ, частота коммутации которого значительно выше частоты входного переменного напряжения преобразователя, один дроссель в выходной цепи преобразователя, заключающийся в том, что периодически с переменной скважностью замыкают и размыкают силовой ключ, причем стабилизацию постоянного выходного напряжения преобразователя и формирование синусоидального потребляемого тока осуществляют, как минимум, одним силовым ключом, для чего выходное напряжение преобразователя сравнивают с постоянным опорным напряжением и формируют первый разностный сигнал, ток потребляемый преобразователем сравнивают по форме с входным напряжением и формируют второй разностный сигнал, причем первым разностным сигналом регулируют длительность замкнутого состояния силового ключа, а вторым разностным сигналом регулируют частоту коммутации силового ключа, для дросселя во входной цепи преобразователя обеспечивают режим прерывистого тока, а для дросселя в выходной цепи преобразователя обеспечивают режим непрерывного тока, при этом на каждом периоде коммутации силового ключа выполняют условие, при котором сочетание длительности замкнутого состояния ключа и периода его коммутации обеспечивает соответствие как среднего значения потребляемого преобразователем тока среднему значению входного напряжения, так и соответствие среднего значения выходного напряжения постоянному опорному напряжению.

При наращивании выходной мощности и n > 1, где n число силовых ключей преобразователя, коммутацию силовых ключей осуществляют либо синхронно, либо со сдвигом фаз, а при n > 2 и синхронно со сдвигом фаз.

Существенными признаками способа управления, отличающими его от прототипа, являются:
а) признаки достаточные во всех случаях, на которые распространяется техническое решение:
выходное напряжение преобразователя сравнивают с постоянным опорным напряжением и формируют первый разностный сигнал;
ток, потребляемый преобразователем, сравнивают по форме с входным напряжением и формируют второй разностный сигнал;
первым разностным сигналом регулируют длительность замкнутого состояния силового ключа, а вторым разностным сигналом регулируют частоту коммутации силового ключа;
для дросселя во входной цепи преобразователя обеспечивают режим прерывистого тока, а для дросселя в выходной цепи преобразователя обеспечивают режим непрерывного тока;
на каждом периоде конструкции силового ключа выполняют условие, при котором сочетание длительности замкнутого состояния ключа и периода его конструкции обеспечивает соответствие как среднего значения потребляемого преобразователем тока среднему значению выходного напряжения, так и соответствие среднего значения выходного напряжения постоянному опорному напряжению.

б) признаки, характеризующие техническое решение в частных случаях:
при n > 1, где n число силовых ключей преобразователя, коммутацию силовых ключей осуществляют синхронно;
при n > 1, где n число силовых ключей преобразователя, коммутацию силовых ключей осуществляют со сдвигом фаз;
при n > 2, где n число силовых ключей преобразователя, коммутацию ключей осуществляют и синхронно и со сдвигом фаз.

Не известны решения, в которых имеется совокупность признаков, приведенная выше и отличающая предлагаемое техническое решение от известных технических решений.

Таким образом, можно сделать вывод, что изобретение обладает существенными отличиями.

Благодаря тому, что для дросселя во входной цепи преобразователя обеспечивается режим прерывистого тока, а для дросселя в выходной цепи обеспечивается режим непрерывного тока, стабилизация постоянного выходного напряжения преобразователя и формирование синусоидального потребляемого тока осуществляется, как минимум, одним ключом путем изменения длительности замкнутого состояния ключа и частоты его коммутации. За счет этого может быть сокращено число применяемых элементов и улучшены массогабаритные показатели преобразователя, повышены его надежность и КПД, расширена область применения.

При использовании в преобразователе двух и более силовых ключей и синхронном или со сдвигом фаз управлении ими может быть увеличена выходная мощность преобразователя и в еще большей степени улучшены его массогабаритные показатели. Для этой же цели может использоваться синхронное и противофазное управления ключами.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя переменного напряжения в стабилизированное постоянное с синусоидальной формой потребляемого тока, реализующая предлагаемый способ управления; на фиг. 2 диаграммы, поясняющие работу преобразователя на фиг. 1; на фиг. 3, 4 и фиг. 5 представлены варианты исполнения преобразователей, реализующих предлагаемый способ управления.

Преобразователь содержит силовой ключ 1, сглаживающий низкочастотный конденсатор 2 во входной цепи преобразователя, зарядный диод 3 сглаживающего конденсатора 2, дроссель 4 во входной цепи преобразователя, дроссель 5 в выходной цепи преобразователя, токовый шунт 6, датчик входного напряжения 7, датчик 8 выходного постоянного напряжения, выпрямительный мост 9, высокочастотный сглаживающий конденсатор 10, входные выводы 11 и 12 преобразователя, подключенные к источнику входного переменного напряжения ≈U_вх, выходные выводы преобразователя 13 и 14, подключенные к сопротивлению нагрузки R_н, параллельно выходным выводам преобразователя включен сглаживающий конденсатор 15. На вход первой схемы сравнения 16 поступает напряжение с датчика 8 β U_вых и постоянное опорное напряжение Uоп. На выходе схемы 16 сравнения формируется первый разностный сигнал Δ U₁. На второй вход схемы сравнения 17 поступает сигнал с датчика тока (токового шунта 6), пропорциональный потребляемому преобразователем току r_ш ˙ i_вх, где он сравнивается с выходным сигналом датчика входного напряжения > α U_вх. В результате на выходе схемы сравнения 17 формируется второй разностный сигнал Δ U₂. Оба разностных сигнала поступают на входы схемы 18 обработки сигналов, в состав которой входят управляемый напряжением генератор 19 пилообразного напряжения, компаратор 20 напряжений и формирователь 21 импульсов управления силовым ключом 1.

Преобразователь по фиг. 3 содержит те же элементы, что и преобразователь на фиг. 1 за исключением того, что для обеспечения работы при более высоком входном напряжении и сохранении максимального напряжения на разомкнутом силовом ключе преобразователь содержит два силовых ключа 1 и 22, включенных последовательно и управляемых синхронно. Сглаживающий низкочастотный конденсатор во входной цепи и зарядный диод сглаживающего конденсатора разбиты на две составные части 2, 24 и 3, 23 соответственно, которые также включены согласно последовательно.

Преобразователь по фиг. 4 отличается от преобразователя по фиг. 1 тем, что содержит два силовых ключа 1 и 25, соединенных параллельно и коммутируемых со сдвигом фаз. При этом формирователь 21 импульсов управления обеспечивает сдвиг фаз управляющих сигналов для каждого из силовых ключей 1 и 25.

Преобразователь по фиг. 5 также содержит два силовых ключа 1 и 26, коммутируемых синхронно либо со сдвигом фаз. Для обеспечения гальванической развязки выходного напряжения преобразователя от источника входного переменного напряжения в состав преобразователя введен трансформатор 27, вторичная обмотка которого подключена через одноконтактный выпрямитель 28 к выходному ДLС-фильтру 29-5-15. Цепь рекуперации энергии индуктивности намагничивания трансформатора 27 условно не показана.

Преобразователь переменного напряжения в стабилизированное постоянное по фиг. 1 работает следующим образом (см. диаграммы на фиг. 2). Все диаграммы на фиг. 2 приведены для бесконечной величины индуктивности дросселя 5. Кроме того, на фиг. 2 условно не показаны изменения периода конструкции и длительности замкнутого состояния силового ключа 1, вызванные воздействием схемы управления преобразователя на периоде входного питающего напряжения.

Переменное входное напряжение ≈U_вх подается на входные выводы преобразователя 11 и 12, выпрямляется выпрямительным мостом 9 и поступает на вход силовой части преобразователя. На интеpвале замкнутого состояния силового ключа 1 происходит накопление энергии в дросселе 4. На этом интервале времени (t₁-t₂ по фиг. 2) энергия, накопленная в сглаживающем конденсаторе 2, частично поступает в нагрузку R_н, а частично накапливается в выходном дросселе 5. При разомкнутом силовом ключе 1 энергия, накопленная ранее в дросселе 4, через диод 3 передается в сглаживающий конденсатор 2 (интервал t₂-t₃). На этом же интервале энергия, накопленная в дросселе 5, через зарядный диод 3 поддерживает неизменным ток нагрузки в R_н. Исходя из описанной последовательности работы, через силовой ключ 1 на интервале замкнутого состояния протекает сумма токов, равная току накопления дросселя 4 и току разряда конденсатора 2 (см. диаграмму на фиг. 26).

Схема управления преобразователя, как было указано выше, содержит две схемы сравнения 16 и 17. На выходе первой схемы сравнения 16 формируется первый разностный сигнал Δ U₁ U_оп β U_вых, так как сигнал с датчика выходного напряжения 8 поступает в вычитающий вход схемы сравнения 16. На выходе второй схемы сравнения 17 формируется второй разностный сигнал Δ U₂ α U_вх-r_ш ˙ i_вх, так как токовый сигнал поступает на вычитающий вход схемы сравнения 17. Второй разностный сигнал управляет частотой управляемого напряжением генератора пилообразного напряжения 19, изменяя ее таким образом, чтобы величина разностного сигнала Δ U₂ была минимальной. Пилообразное напряжение с выхода узла 19 поступает на схему 20 сравнения, где в результате сравнения формируются импульсы управления силового ключа 1. Согласование высокоомного выхода схемы сравнения 20 с входной цепью силового ключа 1 осуществляется с помощью формирователя импульсов управления 21.

Пусть в некоторый момент времени мгновенное значение входного тока стало меньше величины эталонного напряжения αU_вх с датчика 7. В этом случае на выходе схемы 17 формируется положительный разностный сигнал Δ U₂, вызывающий увеличение периода коммутации силового ключа 1, что приводит к увеличению входного тока преобразователя. При превышении токовым сигналом r_ш ˙ i_вх величины эталонного напряжения на выходе схемы сравнения 17 формируется отрицательный разностный сигнал, уменьшающий период коммутации силового ключа 1 и снижающий величину потребляемого тока. Таким образом, в преобразователе осуществляется непрерывное слежение за величиной потребляемого от сети тока, форма которого после усреднения конденсатором 10 вследствие высокой частоты коммутации силового ключа 1 практически повторяет форму эталонного напряжения (фиг. 2а иллюстрируют форму тока на входных выводах выпрямительного моста 9).

Для стабилизации величины выходного напряжения преобразователя первый разностный сигнал Δ U₁ поступает на вход схемы 20, где изменяет длительность замкнутого состояния силового ключа 1 таким образом, что величина напряжения на нагрузке R_н поддерживается постоянной.

На диаграммах фиг. 2 представлены соответственно
диаграмма тока на входных выводах выпрямительного моста 9 до сглаживающего конденсатора 10 (фиг. 2а);
диаграмма тока силового ключа 1 (фиг. 2б);
диаграмма напряжения на силовом ключе 1 (фиг. 2в);
диаграмма тока через сглаживающий конденсатор 2 (фиг. 2г).

Вследствие того, что дроссель 5 в выходной цепи преобразователя работает в режиме непрерывного тока, а величина сглаживающего конденсатора 2 выбирается таковой, что напряжение на нем практически постоянное, выходное напряжение преобразователя пропорционально величине
U_н~
где γ коэффициент заполнения, равный относительной длительности замкнутого состояния силового ключа 1 и не зависящий от частоты коммутации силового ключа 1.

Вследствие того, что дроссель 4 во входной цепи преобразователя работает в режиме прерывистого тока, среднее значение тока, потребляемого преобразователем, пропорционально величине
I_вх~ +
где L величина индуктивности дросселя 4;
F частота коммутации силового ключа 1 и зависит от частоты коммутации силового ключа 1 в большей степени чем от γ.

Таким образом, по причине разных режимов работы дросселей преобразователя путем изменения частоты коммутации и коэффициента заполнения импульсов тока силового ключа осуществляется практически независимая стабилизация двух параметров: формы потребляемого тока и постоянного выходного напряжения преобразователя. Причем стабилизация осуществляется одним силовым ключом.

На фиг. 3 изображен преобразователь, в состав которого входят два силовых ключа 1 и 22, управляемых синхронно, два сглаживающих конденсатора 2, 24 и два зарядных диода 3, 23.

Показанное соединение силовых ключей позволяет наращивать выходную мощность путем расширения диапазона входного напряжения преобразователя.

В преобразователе по фиг. 4 силовые ключи 1 и 25 коммутируются со сдвигом фаз, что позволяет наращивать выходную мощность преобразователя при сохранении установленной мощности каждого силового ключа.

В преобразователе по фиг. 5 для наращивания выходной мощности содержится два силовых ключа, которые коммутируются либо синхронно, либо со сдвигом фаз.

Число ключей, входящих в состав преобразователя, может быть n > 2. При этом одна группа ключей может управляться синхронно по отношению к ключам в этой группе и со сдвигом фаз по отношению к другой группе ключей. Такой способ управления может дополнительно повысить КПД, надежность, улучшить массогабаритные показатели и расширить функциональные возможности преобразователя переменного напряжения в стабилизированное постоянное.

Использование: источники вторичного электропитания с синусоидальной формой потребляемого тока. Сущность изобретения: устройство, реализующее способ управления, содержит силовой ключ 1, емкостный фильтр во входной цепи преобразователя, зарядный диод 3 сглаживающего конденсатора 2, дроссель 4 во входной цепи преобразователя, дроссель 5 в выходной цепи преобразователя, токовый шунт 6, датчик входного напряжения 7, датчик выходного постоянного напряжения 8, выпрямительный мост 9, высокочастотный сглаживающий конденсатор 10. На вход первой схемы сравнения 16 поступает напряжение с датчика выходного постоянного напряжения 8 и постоянное опорное напряжение. На выходе схемы сравнения 16 формируется первый разностный сигнал Δu₁ На вход второй схемы сравнения 17 поступает сигнал с датчика тока (токового шунта 6), пропорциональный потребляемому преобразователем току, и сигнал датчика входного напряжения 7. В результате на выходе схемы сравнения 17 формируется второй разностный сигнал Δu₂ Оба разностных сигнала поступают на входы схемы обработки сигналов 18, в состав которой входят управляемый напряжением генератор пилообразного напряжения 19, компаратор напряжений 20 и формирователь импульсов управления 21 силовым ключом 1. При осуществлении изобретения могут быть улучшены массогабаритные показатели, повышена надежность и КПД, расширены функциональные возможности преобразователя переменного напряжения в стабилизированное постоянное напряжение путем стабилизации постоянного выходного напряжения преобразователя и формирования синусоидального потребляемого тока, как минимум, одним силовым ключом. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СТАБИЛИЗИРОВАННОЕ ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, содержащим входной фильтр и выпрямитель, преобразователь напряжения, включающий входной дроссель, LCD - фильтр, выполненный на охлаждающем конденсаторе, зарядном диоде и выходном дросселе, силовой ключ, подключенный между входным дросселем и LCD фильтром, формируют сигнал, управляющий силовым ключом, который образуют двумя разностными сигналами, заключающийся в том, что периодически с переменной скважностью замыкают и размыкают силовой ключ, причем коммутируют его с частотой выше входного переменного напряжения, отличающийся тем, что измеряют выходное напряжение преобразователя, сравнивают с постоянным первым опорным напряжением и формируют первый разностный сигнал, измеряют на каждом периоде коммутации силового ключа среднее значение входного напряжения и используют его в качестве второго опорного сигнала, сравнивают его с сигналом, пропорциональным на каждом периоде коммутации ключа среднему значению потребляемого тока и формируют второй разностный сигнал, причем первый разностный сигнал, регулирующий длительность замкнутого состояния силового ключа, и второй разностный сигнал, регулирующий частоту коммутации силового ключа, суммируют и формируют сигнал управления силовым ключом, параметры входного дросселя выбирают из условия обеспечения режима прерывистого тока, а параметры выходного дросселя выбирают из условия обеспечения режима непрерывного тока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при n> 1(n число силовых ключей преобразователя) коммутацию силовых ключей осуществляют синхронно. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при n> 1(n число силовых ключей преобразователя) коммутацию силовых ключей осуществляют со сдвигом фаз. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при n> 2(n число силовых ключей преобразователя) коммутацию силовых ключей осуществляют и синхронно, и со сдвигом.