ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ОГРАНИЧЕНИЕМ ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H02M3/335 

На фиг. 1 показан преобразователь постоянного тока с ограничением мгновенного значения тока, которое называют также puls by puls limitation и которое известно из патента ФРГ 26 13 896.

В случае показанного на фиг. 1 однотактного проходного преобразователя входное напряжение U_E приложено к конденсатору 1, а выходное напряжение U_A - к конденсатору 13. Параллельно конденсатору 1 включена образованная первичной обмоткой 91 трансформатора 9, участком сток-исток полевого транзистора 6 и измерительным сопротивлением 3 последовательная схема. Параллельно к последовательной схеме из измерительного сопротивления 3 и участок исток-сток полевого транзистора 6 распложен служащий для ограничения напряжения полупроводниковый стабилитрон 5. Между вторичной обмоткой 92 трансформатора 9 и конденсатором 13 расположен выпрямительный диод 10. В следующей за выпрямительным диодом 10 поперечной ветви расположен автономно работающий диод холостого хода 11. В продольной ветви между автономно работающим диодом 11 и конденсатором 13 расположен дроссель 12.

Управляющий электрод полевого транзистора 6 подключен к управляющему устройству 8, которое содержит запускающее устройство, датчик тактовых импульсов и широтно-импульсный модулятор. Управляющее устройство 8 управляется как через компаратор 4, так и через регулятор напряжения 14. Компаратор 4 подключен своим отрицательным входом через источник заданного напряжения 2 к одному выводу и своим положительным входом непосредственно к другому выводу измерительного сопротивления 3. Регулятор напряжения 14 служит для регулирования выходного напряжения и поэтому подключен своим входом действительного значения к выходу преобразователя.

С помощью подобной схемы во многих случаях может быть достигнуто достаточное ограничение тока. В случае преобразователей с относительно высоким выходным напряжением, однако, наступает принципиально обусловленный так называемый "выброс характеристики", т.е. в случае короткого замыкания ограничительное действие уменьшается или исчезает. Это может в конечном итоге приводить к разрушению конструктивных элементов. Причина подобного поведения лежит в остаточной минимальной ширине запускающего импульса, которая получается в результате ряда времен запаздывания в управляющей цепи. Если в выходном контуре расположено LC= звено с дросселем в продольной ветви и конденсатором в поперечной ветви и если - обусловленная названной минимальной шириной импульса - приложенная к выходному дросселю положительная величина интеграла напряжения по времени при включении больше, чем его отрицательная величина в фазе выключения, то магнитная энергия и тем самым ток неограниченно увеличивается от периода к периоду. Это подтверждает также следующее неравенство, которое справедливо при коротком замыкании на зажимах:

где
U_e - входное напряжение;
- коэффициент трансформации трансформатора;
t_Emin - минимальная длительность включения;
U_DF - напряжение в открытом состоянии автономно работающего диода;
T - длительность периода.

На фиг. 2 представлены типичные режимы работы:
a - использование ограничения тока;
b - граничный случай, при котором минимальная длительность включения как раз еще допускает ограничительное действие;
c - сниженное ограничительное действие при коротком замыкании в результате условия (1).

Как показывает фиг.2, представленная проблема является не разрешимой с помощью чистого ограничения мгновенного значения.

Поэтому целесообразно предусматривать для ограничения тока в случае короткого замыкания дополнительную схему.

Изобретение относится к указанному в ограничительной части п.1 формулы изобретения преобразователю постоянного тока.

Подобный преобразователь уже известен из DE-B1-28 38 009.

В известном преобразователе мощный переключатель транзистор управляет с помощью датчика тактовых импульсов запускающими импульсами постоянной рабочей частоты. Для регулирования выходного напряжения изменяют коэффициент заполнения периода импульса, т.е. отношение времени включения мощного переключательного транзистора к длительности периода. При перегрузке на выходе преобразователя постоянного тока для защиты конструктивных элементов ограничивают ток в силовой цепи. Это достигается с помощью сокращения времени включения. При этом переключательный транзистор запирают с помощью схемы измерения тока как только измеренное с помощью преобразователя тока мгновенное значения тока, протекающего через переключательный транзистор, превышает заранее заданное граничное значение.

Так как время накопления переключательного транзистора обуславливает минимальное время включения и это минимальное время включения потребовало бы неприемлемого с экономической точки зрения выбора параметров конструктивных элементов силовой цепи для случая короткого замыкания, в случае известного преобразователя вступает в действие дополнительная схема измерения тока, подключенная через диод к полному сопротивлению нагрузки преобразователя тока, если минимальное время включения переключательного транзистора должно уменьшаться и напряжение на полном сопротивлении нагрузки датчика тока поэтому возрастает больше, чем пороговое напряжение диода. Она вводит паузу включения - при необходимости повторно - длительностью в несколько периодов так, что ток в силовой цепи не возрастает выше заранее заданного предела. Таким образом может быть достигнуто значительное ограничение тока.

Дополнительная схема нужна для того, чтобы выходной дроссель оставался в магнитном равновесии и ограничительное действие сохранялось также при коротком замыкании, однако связана с относительно большими затратами.

Задачей настоящего изобретения является такое выполнение тактового управляемого преобразователя названного выше типа, чтобы для эффективного ограничения тока в качестве датчика тока было достаточно по возможности низкоомное измерительное сопротивление тока и чтобы пиковое значение тока можно было получать и накапливать с минимальными потерями. В частности, должна достигаться с небольшими затратами низкая зависимость от температуры.

Согласно изобретению для решения этой задачи преобразователь выполнен в соответствии с отличительной частью п.1 формулы изобретения.

Дополнительный электронный переключатель в течение всей фазы запирания лежащего в главной токовой цепи электронного переключателя также заперт. Он может быть также проводящим во время всей фазы включения лежащего в главной токовой цепи электронного переключателя. Так как подлежащее накоплению пиковое значение возникает только в конце проводящей фазы, дополнительный электронный переключатель может при необходимости управляться таким образом, что он управляется в проводящем состоянии только в частичной временной области фазы включения лежащего в главной токовой цепи переключательного транзистора таким образом, что оба электронных переключателя одновременно переходят из проводящего в закрытое состояние. Таким образом могут быть снижены пики тока включения при подключении конденсатора или исключены пики напряжения, появляющиеся на измерительном сопротивлении вследствие пиков тока включения главной токовой цепи. Изобретение имеет далее преимущество, что при особенно низких затратах достигается незначительная зависимость от температуры.

Из неопубликованной ранее европейской патентной заявки N 89 111 982.8 уже известен тактово управляемый преобразователь, который дополнительно к электронному переключателю, лежащему в главной токовой цепи, содержит дополнительный электронный переключатель, который расположен между лежащим в главной токовой цепи измерительным сопротивлением и параллельной RC-схемой. Этот дополнительный электронный переключатель относительно названного первым электронного переключателя включается и выключается с задержкой. Напряжение на конденсаторе следует за измерительным напряжением на измерительном сопротивлении. К моменту времени задержанного выключения дополнительного электронного переключателя конденсатор уже является разряженным.

Из справочника данных по малосигнальным МОП - транзисторам в корпусе с однорядным расположением выводов и по мощным транзисторам фирмы Сименс АГ, издание 84/85, номер заказа ВЗ-3209, стр.24 и 25 известно, что выпрямительные схемы с экстремально низкими напряжениями в открытом состоянии могут быть реализованы с помощью полевых транзисторов. При реализации подобной выпрямительной схемы однако необходима управляющая схема, которая в зависимости от полярности напряжения, приложенного к полевому транзистору, переводит полевой транзистор в проводящее или закрытое состояние.

Преобразователь согласно изобретения обходится без подобной управляющей схемы.

Дальнейшие предпочтительные выполнения изобретения следуют из последующих зависимых пунктов формулы изобретения.

На фиг.1 показан известный преобразователь; на фиг.2 - импульсная диаграмма для преобразователя согласно фиг.1; на фиг.3 - преобразователь с подавлением запускающих импульсов с помощью компаратора; на фиг.4 - импульсная диаграмма для преобразователя согласно фиг.3; на фиг.5 - преобразователь с подавлением запускающих импульсов с помощью дифференциального усилителя; на фиг. 6 - преобразователь с управляемым напряжением генератором; на фиг.7 - импульсная диаграмма для преобразования согласно фиг.6.

На фиг. 3 показан преобразователь согласно изобретению с тактовым управлением. В случае показанного на фиг.3 однотактного проходного преобразователя входное напряжение U_E лежит на конденсаторе 1, а выходное напряжение U_A - на втором конденсаторе 13. Параллельно к конденсатору 1 лежит последовательная схема, образованная первичной обмоткой 91 трансформатора 9, участком исток-сток полевого транзистора 6 и измерительным сопротивлением 3. Между вторичной обмоткой 92 трансформатора 9 и вторым конденсатором 13 лежит выпрямительный диод 10. В следующей за выпрямительным диодом 10 поперечной ветви расположен автономно работающий диод 11. В продольной ветви между автономно работающим диодом 11 и конденсатором 13 лежит дроссель 12.

К измерительному сопротивлению 3 подключен узел оценки, который состоит из дополнительного транзисторного ключа полевого транзистора 15, третьего конденсатора 16 и образующего разрядную цепь тока сопротивления 17. Полевой транзистор 15 ведет своим электродом истока непосредственно к электроду истока полевого транзистора 6 и своим управляющим электродом непосредственно к управляющему электроду полевого транзистора 6. Оба полевых транзистора являются n-канальными МОП-транзисторами.

Третий конденсатор 16 и источник заданного напряжения 2 одним полюсом соединены друг с другом. Компаратор 4 своим инвертирующим входом подключен к источнику заданного напряжения 2 и своим не инвертирующим входом через источник треугольного напряжения 20 - к третьему конденсатору 16. При этом электроды истока обоих полевых транзисторов 6 и 15 непосредственно связаны друг с другом и с измерительным сопротивлением 3.

Управляющее устройство 8 служит для регулирования выходного напряжения U_A. Цепь регулирования проходит от выхода преобразователя через регулятор напряжения 14, широтно-импульсный модулятор 83, логическую схему 82 и формирователь импульсов 81 к точке соединения управляющих электродов обоих полевых транзисторов 6 и 15.

Логическая схема 82 и широтно-импульсный модулятор 83 совместно управляются генератором тактовых импульсов 84. Логическая схема 82, кроме того, подключена своим запирающим входом к выходу компаратора 4, который сравнивает заданное напряжение U_S генератора заданного напряжения с суммарным напряжением, которое состоит из приложенного к третьему конденсатору 16 напряжения U_C1 и треугольного напряжения задатчика треугольного напряжения 20. При необходимости задатчик треугольного напряжения 20 может лежать вместо ветви действительного значения в ветви заданного значения. При соответствующем выборе рабочей области задатчик треугольного напряжения 20 может быть заменен коротким замыканием.

С помощью синхронно управляемого переключательным транзистором 6 n-канального МОП-транзистора 15 емкость C1 третьего конденсатора 16 становится низкоомной, то есть быстро и точно заряжается до максимального значения напряжения на измерительном сопротивлении 3. Неизбежно присутствующий в полевом транзисторе и поэтому показанный пунктиром сравнительно медленный инверсный диод 15 а МОП - транзистор 15 является при этом практически бездействующим, так как его пороговое напряжение в направлении пропускании не достигается. В фазе запирания полевой транзистор 15 очень быстро становится высокоомным и поэтому препятствует обратному разряду. Третий конденсатор 16 может разряжаться через сопротивление 17 более или менее медленно с желаемой постоянной времени. Так как остаточное сопротивление R_DSON полевого транзистора 15 является очень малым по сравнению с значением сопротивления разрядного сопротивления 17, напряжение на третьем конденсаторе 16 очень хорошо соответствует максимальному значению измеренного тока.

Импульсная диаграмма согласно фиг.4 показывает это положение дел. Выходное напряжение U_G запускающего устройства 81 состоит из запускающих импульсов, которые подведены к участкам затвор-исток полевых транзисторов 6 и 15 и соответственно переводят их в момент времени t₁ в состоянии включения и в момент времени t₂ в состояние выключения. Напряжение U_i падает на измерительном сопротивлении 3 и соответствует току i₁, протекающему в главной токовой цепи преобразователя. На третьем конденсаторе 16 получается напряжение U_C1. Выходное напряжение U_KA компаратора 4 является следствием прямоугольных импульсов. Нарастающий фронт к моменту времени t₃ представляет собой начало запирающего сигнала, а спадающий фронт к моменту времени t₄ начало отпирающего сигнала.

Кратковременный разряд третьего конденсатора 16 к началу импульса, вызванный наклонным нарастанием тока i₁, является практически не имеющим значения, т.к. пиковое значение тока i₁ возникает лишь в конце проводящей фазы и остается накопленным после отключения. Принципиальный ход соответствующего току i₁ измерительного значения U_i представлен на фиг.4a.

Напряжение на третьем конденсаторе 16 оценивается согласно фиг.3 с помощью компаратора. Источник треугольного напряжения 20 поставляет внешний синхронный треугольный сигнал, который накладывается на напряжение U_C1. Подобное наложение внешнего синхронного треугольного сигнала, которое само по себе известно из патента ФРГ DE-PS 26 13 896, является предпочтительным при оценке с помощью компаратора 4. Таким образом, во-первых, получается определенный коммутационный критерий и, во-вторых, повышается стабильность в субгармонической области. На импульсной диаграмме согласно фиг.4 этот треугольный сигнал для наглядности не представлен.

На фиг. 4b и 4c представлен принципиальный ход сигнала при ограничении тока после включения и в случае короткого замыкания. Число пропущенных импульсов в случае c зависит от минимальной ширины импульсов и пропускного напряжения автономно работающего диода 11.

В случае преобразователя согласно фиг. 5 вместо компаратора 4 на фиг. 3 предусмотрен операционный усилитель 40. Выход операционного усилителя 40 и выход регулятора напряжения 14 подведены соответственно через диод 18 или 19 к входу широтно-импульсного модулятора 83, так что получается так называемое отпускное регулирование. Запускающее устройство 81 подключено непосредственно к широтно-импульсному модулятору 83.

При этой форме выполнения усиленное регулировочное отклонение управляет широтно-импульсным модулятором 83 и устанавливает рабочую точку. В случае короткого замыкания усиленное регулировочное отклонение может при необходимости запереть широтно-импульсный модулятор 83 на несколько периодов и таким образом полностью сохранить ограничительное действие. Преобразователь работает подобно тому, как показано на фиг.4c.

Следующая форма выполнения представлена на фиг. 6. Она является особенно предпочтительной в случае высокочастотных преобразователей. В случае перегрузки операционный усилитель 4 усиливает регулировочное отклонение U_S - U_C1 и регулирует управляемый напряжением генератор в сторону более низких частот (см. фиг.7). Длительность включения импульса тока остается постоянной. Путем постоянного снижения частоты желаемое равновесия однако достигается также при коротком замыкании выходных зажимов преобразователя.

Представленные на фигурах 1, 3, 5, и 6 преобразователи являются применимыми в очень широкой области частот, так как полевой транзистор может быть маленьким МОП-транзистором с временами переключения порядка 5 - 20 нс и может иметь очень малые паразитные емкости порядка 5 пФ. Частота переключения может при этом составлять около 1 - 2 МГц.

Преобразователь может быть выполнен в виде проходного или запирающего преобразователя с постоянной тактовой частотой или в виде преобразователя с частотной модуляцией.

Токовое регулирование с наложенным регулированием напряжения (current-mode-регулирование напряжения), при котором в качестве заданного значения тока служит выходной сигнал регулятора напряжения, является возможным без особых сложностей с помощью измерительного сигнала на измерительном сопротивлении тока 3, так как сигнал на низкоомном измерительном сопротивлении 3 также и в существенные для регулирования отрезки времени практически не искажается.

Использование: изобретение относится к преобразовательной технике. Сущность изобретения: преобразователь постоянного тока с управляемым запускающими импульсами в проводящем состоянии электронным переключателем и с ограничением тока путем подавления запускающих импульсов. Для того, чтобы можно было обойтись просто реализуемым датчиком тока с малыми потерями, получают соответствующее пиковому значению тока постоянного напряжение с помощью дополнительного, управляемого синфазно с электронным переключателем главной токовой цепи переключателя, который предпочтительно является инверсно работающим полевым транзистором. Преобразователь особенно пригоден, когда следует принимать во внимание низкоомные короткие замыкания на выходе преобразователя. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Тактово-управляемый преобразователь с ограничением тока, содержащий последовательно включенные в главной токовой цепи между выводами первого конденсатора, предназначенного для подачи на него входного напряжения, датчик тока, главный транзисторный ключ и первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через выпрямительный диод параллельно автономно работающему диоду, параллельно которому через дроссель включен второй конденсатор, на котором формируется выходное напряжение, блок управления, узел оценки, содержащий цепь разрядного тока третьего конденсатора, и узел сравнения, один вход которого подключен к третьему конденсатору, связанному с датчиком тока, а другой вход узла сравнения соединен с источником заданного напряжения, при этом выход узла сравнения соединен с входом блока управления, отличающийся тем, что датчик тока выполнен в виде измерительного резистора, а узел оценки содержит дополнительный транзисторный ключ, выполненный обеспечивающим заряд третьего конденсатора до максимального значения напряженич на измерительном резисторе, причем дополнительный транзисторный ключ выполнен запертым и переводимым в проводящее состояние блоком управления во время фазы переключения главного транзисторного ключа в проводящее состояние, при этом главный и дополнительный транзисторный ключи выполнены в виде полевых транзисторов одного типа проводимости, а участок исток-сток полевого транзистора дополнительного транзисторного ключа включен таким образом, что обращенный диод полевого транзистора дополнительного транзисторного ключа включен в прямом направлении относительно напряжения, формируемого на измерительном резисторе. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что затворы полевых транзисторов главного и дополнительного транзисторного ключей соединены друг с другом. 3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел сравнения выполнен в виде компаратора, выход которого соединен с запирающим входом блока управления. 4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что между третьим конденсатором и компаратором или между источником заданного напряжения и компаратором включен источник синхронного треугольного сигнала. 5. Преобразователь по 1 или 2, отличающийся тем, что узел сравнения выполнен в виде операционного усилителя, выход которого соединен с запирающим входом введенного в блок управления широтно-импульсного модулятора. 6. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел сравнения выполнен в виде операционного усилителя, выход которого соединен с входом введенного в блок управления генератора, управляемого напряжением, при этом операционный усилитель обеспечивает снижение частоты генератора при необходимости ограничения тока.