СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО ТОКА ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H02M7/00 

Изобретение относится к силовой электронике и может быть использовано в мощных источниках стабилизированного тока или напряжения с широким диапазоном регулирования, гальванически не связанных с питающей сетью переменного тока, например с промышленной сетью 220 В, 50 Гц.

Известен способ управления импульсным стабилизатором напряжения (тока), предполагающий применение контура регулирования, исполнительным элементом в котором является электронный ключ, управляемый с помощью сигналов, полученных методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При изменении входного напряжения или напряжения (тока) в нагрузке с помощью обратной связи и ШИМ получают управляющий сигнал, у которого длительность импульсов на фиксированной частоте изменяется таким образом, что напряжение (ток) в нагрузке остаются стабильными с определенной степенью точности [1].

Однако известный способ характеризуется тем, что для обеспечения гальванической развязки нагрузки от питающей сети на входе обязательно наличие трансформаторного разделения; цепей с последующим выпрямлением низкочастотного напряжения. В этой связи известный способ имеет ограниченную область использования, так как в большинстве практических случаев необходима гальваническая развязка нагрузки от питающей сети. В противном случае известный способ предполагает большие удельные массогабаритные параметры стабилизатора.

Известен способ (метод) управления V² импульсным преобразователем, заключающийся в использовании в качестве сигнала обратной связи пилообразного напряжения, которое снимается непосредственно с конденсаторов выходного фильтра. Этот сигнал пропорционален переменному току, текущему через основной дроссель, и, кроме того, имеет постоянное смещение, равное постоянной составляющей выходного напряжения. В соответствии с этим способ V² предполагает наличие двух контуров обратной связи, которые поддерживают фиксированную величину сигнала рассогласования, как при изменении входного линейного напряжения, так и тока нагрузки, так как и то и другое изменение воздействуют на упомянутое пилообразное напряжение [2].

Однако известный способ не обеспечивает гальванической развязки цепей обратной связи с цепями фильтрации напряжения нагрузки. В связи с этим он может быть применим в маломощных, преимущественно однотактных импульсных преобразователях.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является способ, предполагающий наличие контура регулирования с обратной связью по напряжению или току нагрузки и формирование методом широтно-импульсной модуляции сигналов для управления высокочастотными ключами импульсного двухтактного преобразователя, получающего питание непосредственно от выпрямленного сетевого напряжения [3].

Однако известный способ не обеспечивает надежную работу высокочастотного импульсного преобразователя в широком диапазоне регулирования напряжения или тока нагрузки. При его использовании затруднено обеспечение устойчивости стабилизатора при изменении нагрузки от режима, близкого к холостому ходу до режима близкого к короткому замыканию. В случае использования известного способа для реализации стабилизатора тока с широким диапазоном регулирования высокочастотному преобразователю приходиться коммутировать повышенную мощность в режиме с большим током нагрузки, так как при этом напряжение, подаваемое на вход импульсного преобразователя, остается таким же, как и в середине диапазона регулирования, т.е. достаточно большим и неизменным. В случае стабилизатора напряжения также приходиться коммутировать повышенную мощность, так как входное напряжение импульсного преобразователя по величине должно быть таким, чтобы имелся запас мощности для обеспечения стабилизации выходною напряжения при увеличении сопротивления нагрузки до граничного значения диапазона регулирования.

Коммутирование повышенной мощности высокочастотными ключами предполагает повышенные динамические потери и, следовательно, повышенную мощность рассеивания самих высокочастотных ключей и цепей, обеспечивающих их безопасную работу. Это в конечном итоге снижает надежность импульсного стабилизирующего преобразователя.

Известно устройство импульсного стабилизирующего преобразователя, структура которого меняется в зависимости от отклонений выходного напряжения (тока) в широком диапазоне регулирования. Устройство обеспечивает амплитудно-импульсное регулирование за счет последовательно-параллельного соединения по входу и выходу определенного числа импульсных преобразователей с трансформаторным выходом на общий магнитопровод. Необходимое число импульсных преобразователей, соответствующее уровню отклонения напряжения (тока), подключается или отключается с помощью высокочастотного коммутатора. Не включенные импульсные преобразователи находятся в "холодном резерве" [4].

Однако известное устройство является сложным за счет применения нескольких импульсных преобразователей, организация работы которых осуществляется сложной по исполнению схемой управления. Поэтому это устройство не находит широкого применения.

Известно устройство однофазного мостового инвертора, схема управления которого содержит задающий генератор, генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), усилитель обратной связи, компаратор, счетный триггер, и два выходных каскада для формирования управляющих сигналов высокочастотными ключами, образующих контур ШИМ - регулирования напряжения на нагрузке. Сигнал обратной связи снимается с резисторного делителя после выпрямления и фильтрации выходного напряжения инвертора [5].

Однако известное устройство обладает низкой надежностью при работе в широком диапазоне изменения сопротивления нагрузки, так как затруднено обеспечение устойчивой работы импульсного преобразователя в режиме стабилизации тока или напряжения с большим нагрузочным током.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является устройство, содержащее сетевой выпрямитель, входной LC-фильтр, выход которого подсоединен к входу двухтактного импульсного преобразователя с первым и вторым высокочастотными ключами и выходным трансформатором, в цепи вторичной обмотки которого включен выпрямитель с выходным LC-фильтром на выходе, схему управления, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току (напряжению) нагрузки, а к ее выходу подсоединены выводами первичные обмотки разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления упомянутых первого и второго высокочастотных ключей [6].

Однако известное устройство не обеспечивает надежную работу импульсного преобразователя в случае достаточно мощной нагрузки и широкого диапазона регулирования тока (напряжения). Напряжение на входе импульсного преобразователя остается неизменным по величине во всем диапазоне регулирования. Причем величина этого напряжения должна быть заранее выбрана такой, чтобы имелся запас мощности для обеспечения устойчивой работы импульсного преобразователя в граничных режимах диапазона регулирования. Поэтому высокочастотные ключи в общем случае коммутируют повышенную мощность и, следовательно, во время их работы выделяется повышенная мощность рассеивания, что снижает надежность импульсного стабилизирующего преобразователя.

Задачей изобретения является повышение надежности импульсного стабилизирующего преобразователя в широком диапазоне регулирования тока или напряжения нагрузки.

Решение поставленной задачи реализуется способом регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя, заключающегося в том, что формируют методом широтно-импульсной модуляции управляющие импульсы для высокочастотных ключей первого контура регулирования с обратной связью по току нагрузки, формируют управляющий сигнал для коммутации непосредственно выпрямленного сетевого напряжения ключом второго контура регулирования, управляющие импульсы для упомянутых высокочастотных ключей одновременно инвертируют и подвергают дизъюнкции, длительность полученных импульсов преобразуют в напряжение, которое алгебраически суммируют с опорным напряжением, пропорциональным расчетному значению коэффициента заполнения управляющих импульсов упомянутых высокочастотных ключей, полученное напряжение используют в качестве сигнала рассогласования для управления упомянутым ключом второго контура регулирования.

Способ реализуется устройством регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя, содержащим сетевой выпрямитель, выход которого соединен с входом входного LC-фильтра, двухтактный импульсный преобразователь с первым и вторым высокочастотными ключами и выходным трансформатором, в цепи вторичной обмотки которого включен выпрямитель, выход которого соединен с входом выходного LC-фильтра, схему управления, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току с нагрузочной цепи выходного LC-фильтра, а к ее выходу подсоединены выводами первичные обмотки разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления упомянутых первого и второго высокочастотных ключей, в устройство дополнительно введены третий управляемый ключ, генератор тактовых импульсов, генератор линейно изменяющегося напряжения, ШИМ-компаратор, сумматор, преобразователь длительности импульсов в напряжение, дизъюнктор, дополнительные вторичные обмотки для каждого из упомянутых разделительных импульсных трансформаторов, источник опорного напряжения.

Причем входной полюс третьего управляемого ключа подсоединен к выходу сетевого выпрямителя, а его выходной полюс подсоединен к входу входного LC-фильтра, выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу генератора линейно изменяющегося напряжения, выход которого подсоединен к одному из входов ШИМ-компаратора, к другому входу которого подсоединен выход сумматора, к одному из входов которого подсоединен выход упомянутого источника опорного напряжения, а к другому входу - выход упомянутого преобразователя длительности импульсов в напряжение, вход которого соединен с выходом дизъюнктора, на первый и второй входы которого соответственно подсоединены выводами упомянутые дополнительные вторичные обмотки каждого из разделительных импульсных трансформаторов, причем обе вторичные обмотки каждого из которых включены встречно, а выход упомянутого ШИМ-компаратора подсоединен к управляющему полюсу упомянутого третьего управляемого ключа.

На фиг.1 приведена схема устройства, а на фиг.2а и б приведены диаграммы, поясняющие его работу.

Схема предлагаемого устройства содержит сетевой выпрямитель 1, к выходу которого подсоединен вход входного LC-фильтра 2, двухтактный импульсный преобразователь с первым 3 и вторым 4 высокочастотными ключами и выходным трансформатором 5, в цепи вторичной обмотки 6 которого включен выходной выпрямитель 7, выход которого подсоединен к входу выходного LC-фильтра 8, схему управления 9, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току нагрузки 10, а к выходу схемы управления подсоединены выводами первичные обмотки разделительных импульсных трансформаторов 11 и 12, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления упомянутых первого и второго высокочастотных ключей.

В устройство дополнительно введены третий управляемый ключ 13, входной полюс которого подсоединен к выходу сетевого выпрямителя, а его выходной полюс подсоединен к входу входного LС-фильтра, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 14, выход которого подсоединен к входу генератора линейно изменяющегося напряжения 15, выход которого подсоединен к одному из входов ШИМ-компаратора 16, к другому входу которого подсоединен выход сумматора 17, к одному из входов которого подсоединен выход преобразователя длительности импульсов в напряжение 18, вход которого соединен с выходом дизъюнктора 19, на первый и второй входы которого соответственно подсоединены выводами дополнительные вторичные обмотки 20 и 21 упомянутых разделительных импульсных трансформаторов, причем обе вторичные обмотки каждого из которых включены встречно, ко второму входу сумматора 17 подсоединен выход источника опорного напряжения 22, а выход упомянутого ШИМ-компаратора подсоединен к управляющему полюсу упомянутого третьего управляемого ключа.

Устройство регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя работает следующим образом. Рассмотрим его работу для случая импульсного стабилизатора тока, имея в виду при этом, что на вход схемы управления 9 заведена обратная связь по току с нагрузочной цепи выходного LC-фильтра 8. Первый 3 и второй 4 высокочастотные ключи импульсного стабилизирующего преобразователя управляются через разделительные импульсные трансформаторы с выхода схемы управления 9 с учетом заданного значения величины нагрузочного тока. При этом на управляющие входы первого и второго ключей поступают импульсы, длительность которых пропорциональна сигналу рассогласования, сформированному при помощи ШИМ схемы управления 9.

Точно такие же импульсы, но проинвертированные за счет встречного включения вторичных обмоток разделительных трансформаторов 11 и 12, формируются на выводах вторичных обмоток 20 и 21, которые подсоединены к входам дизъюнктора 19. Дизъюнктор 19 практически суммирует сигналы, вырабатываемые ШИМ схемы управления, и на его выходе формируются сигналы нормированной амплитуды, которые затем преобразуются преобразователем длительности импульсов 18 в пропорциональное по величине напряжение. Это напряжение суммируется при помощи сумматора 17 с опорным напряжением источника 22. Опорное напряжение пропорционально расчетному (заданному) значению коэффициента заполнения (скважности) управляющих импульсов высокочастотных ключей 3 и 4.

Выходной сигнал сумматора 17 является уставкой ШИМ-компаратора 16, в котором производится ее сравнение с напряжением пилообразной формы, поступающее с выхода ГЛИН 15. Напряжение пилообразной формы формируется из тактовых импульсов генератора 14. Полученный таким образом на выходе ШИМ-компаратора 16 сигнал рассогласования является управляющим для третьего управляемого ключа 13, который с помощью входного LC-фильтра 2 формирует напряжение определенной величины на входе импульсного стабилизирующего преобразователя.

В отличие от устройства-прототипа, в котором входное напряжение импульсного преобразователя остается неизменным при изменении тока в нагрузке во всем диапазоне регулирования, в предлагаемом устройстве автоматически изменяется напряжение на входе импульсного стабилизирующего преобразователя, в зависимости от величины отклонения (сигнала рассогласования или сигнала ошибки) коэффициента заполнения управляющих импульсов высокочастотного преобразователя от заданного коэффициента заполнения. Значение последнего выбирается исходя из требования обеспечения необходимой устойчивости импульсного высокочастотного преобразователя и которое, как правило, для двухтактных импульсных преобразователей в цепи первичной обмотки выходного трансформатора не должно превышать 90%. Для того, чтобы имелся запас по регулированию значение заданного коэффициента заполнения целесообразно выбирать в пределах (65÷75)%. Таким образом, работа импульсного стабилизирующего преобразователя может быть близка к оптимальному режиму в широком диапазоне регулирования тока нагрузки с точки зрения обеспечения минимальной коммутируемой мощности высокочастотными ключами.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в качестве стабилизатора тока в динамике - при уменьшении сопротивления нагрузки (фиг.2а). Сетевое напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 1. Генератор тактовых импульсов 14 с частотой ω₁ = 2πf₁ формирует узкие импульсы напряжения (фиг.2а, в), которые используются для формирования напряжения пилообразной формы на выходе ГЛИН 15 (фиг.2а, в). Одновременно ГЛИН схемы управления 9 формирует напряжение пилообразной формы с фиксированной частотой ω₂ = 2πf₂, (частота f₂ может быть выбрана в килогерцовом диапазоне частот) (фиг.2а, е).

При изменении сопротивления нагрузки импульсного стабилизирующего преобразователя (фиг. 2а, б) с помощью цепи обратной связи по току первого контура регулирования вырабатывается сигнал рассогласования и на выходе ШИМ-компаратора схемы управления 9 формируются прямоугольные импульсы, по ширине соответствующие изменившемуся току нагрузки, т.е. существенно меньшие по величине коэффициента заполнения (фиг.2а, ж). Одновременно эти импульсы поступают в противофазе (проинвертированные) с дополнительных вторичных обмоток 20 и 21 разделительных импульсных трансформаторов 11 и 12 на вход дизъюнктора 19, далее с помощью преобразователя длительности импульсов в напряжение 18 они поступают на один из входов сумматора 17, в котором происходит алгебраическое суммирование этого напряжения с опорным напряжением, величина которого пропорциональна заданному значению коэффициента заполнения управляющих импульсов стабилизирующего преобразователя.

Результирующее напряжение является сигналом рассогласования (или сигналом ошибки) для управления ШИМ-компаратором 16, в котором происходит его сравнение с напряжением ГЛИН 15 (фиг.2а, в). Поскольку напряжение рассогласования не может измениться скачком, оно увеличивается в течение какого-то времени Δt, при этом происходит сужение по длительности импульсов на выходе ШИМ-компаратора 16 вплоть до нового установившегося состояния (фиг.2а, г). Напряжение на входе импульсного стабилизирующегося преобразователя за время Δt снижается (фиг. 2а, д), что приводит к восстановлению тока нагрузки до значения, предшествующего переходному режиму (фиг.2а, з).

Следует отметить, что в рассмотренном случае, работа устройства-прототипа при уменьшении сопротивления нагрузки сопровождается неизменным напряжением на входе импульсного преобразователя. Для того чтобы ток импульсного преобразователя при этом оставался стабильным, высокочастотные ключи должны коммутировать повышенную мощность.

На фиг.2б приведены диаграммы, характеризующие работу предложенного устройства в режиме повышения сопротивления нагрузки. При этом за время Δt происходит согласованное увеличение напряжения на входе импульсного стабилизирующего преобразователя для стабилизации выходного тока.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что напряжение на входе импульсного стабилизирующего преобразователя регулируется в зависимости от величины отклонения скважности (коэффициента заполнения) импульсов управления высокочастотными ключами преобразователя от заданной скважности (коэффициента заполнения) этих управляющих импульсов. При этом обеспечивается адаптация входного напряжения импульсного преобразователя к величине тока нагрузки, так что работа последнего происходит в квазиоптимальном режиме с точки зрения обеспечения его устойчивости в широком диапазоне регулирования тока нагрузки.

Анализируя работу предложенного устройства в сравнении с работой устройства-прототипа, можно сделать вывод о том, что в одинаковых режимах динамические потери в предложенном устройстве регулирования существенно меньше, чем динамические потери в известных импульсных преобразователях в широком диапазоне регулирования тока нагрузки. Аналогичный анализ в случае стабилизатора напряжения дает такой же результат. При этом следует иметь в виду, что в случае стабилизатора напряжения первый контур регулирования выполняется с обратной связью по напряжению на нагрузке.

При малых сопротивлениях нагрузки (R_н-->0) известные устройства должны иметь защиту от тока короткого замыкания нагрузки, в противном случае не обеспечивается их устойчивость. Предложенный способ регулирования в этом режиме за счет автоматического снижения входного напряжения импульсного стабилизирующего преобразователя обеспечивает необходимую устойчивость. Поэтому защита от короткого замыкания нагрузки для него не обязательна.

Предложенное техническое решение выгодно отличается от известных технических решений, так как обеспечивает более низкую величину коммутируемой мощности высокочастотными ключами импульсного преобразователя в широком диапазоне регулирования тока (напряжения) нагрузки. В этой связи в высокочастотных ключах рассеивается меньшая мощность по сравнению с известными устройствами в одинаковых режимах работы. Поэтому предложенный способ регулирования обеспечивает повышенную надежность импульсным двухтактным стабилизирующим преобразователям, работающим на мощную нагрузку в широком диапазоне регулирования.

Источники информации
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г. С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. - М. : Радио и связь, 1986. - 576 с. (с.32, рис. 1.10).

2. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с. (с.157).

3. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г. С. Найвельт, К.Б, Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. - М. : Радио и связь, 1986. - 576 с. (с.39, рис. 1.18).

4. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / А. А. Бас, В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин. - М.: Радио и связь, 1987. - 160 с. (с.12, рис. 1.3).

5. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника. - 2-е изд., перераб. и доп.- Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1983. - 431 с. (с.357, рис. 5.63).

6. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА принт. 1998. - 400 с. (с.374, рис. 33.10).

Использование: в мощных источниках стабилизированного тока или напряжения с широким диапазоном регулирования, гальванически не связанных с питающей сетью переменного тока. Технический результат заключается в повышении надежности импульсного стабилизирующего преобразователя в широком диапазоне регулирования тока или напряжения нагрузки. Способ регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя заключается в том, что формируют методом широтно-импульсной модуляции управляющие импульсы для высокочастотных ключей первого контура регулирования с обратной связью по току нагрузки, формируют управляющий сигнал для коммутации непосредственно выпрямленного сетевого напряжения ключом второго контура регулирования, управляющие импульсы для упомянутых высокочастотных ключей одновременно инвертируют и подвергают дизъюнкции, длительность полученных импульсов преобразуют в напряжение, которое алгебраически суммируют с опорным напряжением, пропорциональным расчетному значению коэффициента заполнения управляющих импульсов упомянутых высокочастотных ключей, полученное напряжение используют в качестве сигнала рассогласования для управления упомянутым ключом второго контура регулирования. Устройство регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя содержит сетевой выпрямитель, входной LC-фильтр, двухтактный импульсный преобразователь с первым и вторым высокочастотными ключами и выходным трансформатором, выходной выпрямитель, схему управления, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току нагрузки, разделительные импульсные трансформаторы, в устройство дополнительно введены третий управляемый ключ, генератор тактовых импульсов, генератор линейно изменяющегося напряжения, ШИМ-компаратор, сумматор, преобразователь длительности импульсов в напряжение, дизъюнктор и источник опорного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя, заключающийся в том, что формируют методом широтно-импульсной модуляции управляющие импульсы для высокочастотных ключей первого контура регулирования с обратной связью по току нагрузки, формируют управляющий сигнал для коммутации непосредственно выпрямленного сетевого напряжения ключом второго контура регулирования, отличающийся тем, что управляющие импульсы для упомянутых высокочастотных ключей одновременно инвертируют и подвергают дизъюнкции, длительность полученных импульсов преобразуют в напряжение, которое алгебраически суммируют с опорным напряжением, пропорциональным расчетному значению коэффициента заполнения управляющих импульсов упомянутых высокочастотных ключей, полученное напряжение используют в качестве сигнала рассогласования для управления упомянутым ключом второго контура регулирования. 2. Устройство регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя, содержащее сетевой выпрямитель, входной LC-фильтр, выход которого подсоединен к входу двухтактного импульсного преобразователя с первым и вторым высокочастотными ключами и выходным трансформатором, в цепи вторичной обмотки которого включен выпрямитель с выходным LC-фильтром на выходе, схему управления, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току с нагрузочной цепи выходного LC-фильтра, а к ее выходу подсоединены выводами первичные обмотки разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления упомянутых первого и второго высокочастотных ключей, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены третий управляемый ключ, генератор тактовых импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, ШИМ-компаратор, сумматор, преобразователь длительности импульсов в напряжение, дизъюнктор, дополнительные вторичные обмотки для каждого из упомянутых разделительных импульсных трансформаторов, источник опорного напряжения, причем входной полюс третьего управляемого ключа подсоединен к выходу сетевого выпрямителя, а его выходной полюс подсоединен к входу второго LC-фильтра, выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу генератора линейно-изменяющегося напряжения, выход которого подсоединен к одному из входов ШИМ-компаратора, к другому входу которого подсоединен выход сумматора, к одному из входов которого подсоединен выход упомянутого источника опорного напряжения, а к другому входу - выход упомянутого преобразователя длительности импульсов в напряжение, вход которого соединен с выходом дизъюнктора, на первый и второй входы которого соответственно подсоединены выводами упомянутые дополнительные вторичные обмотки каждого из разделительных импульсов трансформаторов, причем обе вторичные обмотки каждого из которых включены встречно, а выход упомянутого ШИМ-компаратора подсоединен к управляющему полюсу упомянутого третьего управляемого ключа.