ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M3/22 H02J7/10 

Изобретение относится к устройствам для заряда емкостных накопителей энергии, используемых в импульсных электромагнитных устройствах и электротехнологиях, а также может быть использовано в источниках постоянного напряжения (в т.ч. интегрального исполнения) с широкими регулировочными возможностями.

Известен понижающий преобразователь постоянного напряжения, содержащий подключенные к источнику входного напряжения последовательно соединенные силовой ключ и диод и емкостную нагрузку, подключенную параллельно диоду через дроссель [См. Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. - М: Солон-Р, 2001 г., с.127]. Во время замкнутого состояния ключа диод заперт и ток дросселя (он же ток заряда емкости) нарастает под действием разности напряжений входного источника и емкости нагрузки. Во время разомкнутого состояния ключа ток дросселя перехватывается в цепь диода и спадает под действием встречного напряжения на емкости нагрузки. Заданием определенного закона управления силовым ключом можно добиться требуемой интенсивности заряда. По достижении требуемого напряжения на емкости силовой ключ выключается и через некоторое время ток дросселя спадает до нуля и заряд емкости прекращается.

Недостатками устройства является ограниченный диапазон выходных напряжений (от нуля до напряжения входного источника), а также низкий коэффициент стабилизации при высоких скоростях заряда, обусловленный невозможностью мгновенно оборвать ток заряда.

Известна также инвертирующая схема преобразователя постоянного напряжения, содержащая подключенные к источнику входного напряжения последовательно соединенные силовой ключ и дроссель, и емкостную нагрузку, подключенную параллельно дросселю через диод [там же, с.202]. При замкнутом состоянии ключа энергия запасается в дросселе, при этом диод закрыт и заряда накопителя нет. При разомкнутом состоянии ключа энергия, накопленная в дросселе, сбрасывается в емкость нагрузки через открывающийся диод. Недостатками схемы являются повышенные напряжения на ключевых элементах, а также низкий коэффициент стабилизации при высоких скоростях заряда накопителя, обусловленный невозможностью мгновенно оборвать ток заряда.

Наиболее близким, принятым за прототип является преобразователь постоянного напряжения повышающего типа, содержащий подключенные к источнику входного напряжения последовательно соединенные дроссель и силовой ключ и емкостную нагрузку, подключенную параллельно силовому ключу через диод [Там же, с.167]. Во время замкнутого состояния ключа ток дросселя нарастает под действием напряжения входного источника, а диод заперт и заряда емкости нет. Во время разомкнутого состояния ключа ток дросселя перехватывается в цепь диода и заряжает емкость нагрузки. Для нормальной работы преобразователя необходимо, чтобы напряжение на емкости было выше напряжения входного источника, иначе будет иметь место бесконтрольный рост тока дросселя и возможен выход из строя элементов схемы. Заданием определенного закона управления силовым ключом можно добиться требуемой интенсивности заряда, а также наделить устройство функцией коррекции коэффициента мощности (при использовании в качестве входного источника однофазного выпрямителя). По достижении требуемого напряжения на емкости силовой ключ выключается, и через некоторое время ток дросселя спадает до нуля и заряд емкости прекращается.

Недостатками данного устройства являются ограниченный диапазон выходных напряжений (от напряжения входного источника и выше), что не позволяет использовать его в импульсных схемах с полным разрядом накопителя, а также низкий коэффициент стабилизации при высоких скоростях заряда, обусловленный невозможностью мгновенно оборвать ток заряда.

Предложен преобразователь постоянного напряжения, содержащий подключенные к источнику входного напряжения последовательно соединенные дроссель и первый силовой ключ и емкостную нагрузку, подключенную параллельно первому ключу через первый диод, отличающийся тем, что последовательно с источником входного напряжения включен второй силовой ключ, а параллельно источнику входного напряжения со вторым ключом включен второй диод.

Предлагаемый преобразователь способен заряжать накопитель в широком диапазоне напряжений (от нуля и выше), что позволяет использовать его совместно с импульсными схемами с полным разрядом накопителя, а также обладает повышенной стабильностью выходного напряжения. Применение дополнительного ключа и диода позволяет (в отличие от прототипа) контролировать процесс заряда при малых напряжениях на емкостном накопителе, а также мгновенно прервать процесс заряда при достижении напряжением требуемой величины.

На фиг.1 представлена упрощенная электрическая схема преобразователя, на фиг.2 - возможные временные диаграммы его работы, на фиг.3 - упрощенная электрическая схема устройства, реализующая предложенный алгоритм управления силовыми ключами, фиг.4 предлагается для публикации с рефератом и представляет собой упрощенный вариант фигуры 1.

Преобразователь (фиг.1) содержит два силовых ключа 1 и 2, два диода 3 и 4, и дроссель 5. Емкостная нагрузка 6 подключена к выходным клеммам, ко входным клеммам подключен источник питания U_п. На фиг.2 показаны зависимости во времени напряжения накопителя U₆ (кривая 7), напряжений управления силовыми ключами U_y1 и U_y2 (кривые 8 и 9, высокий уровень соответствует открытому состоянию ключей), входного тока I₁ (кривая 10), выходного тока заряда I₄ (кривая 11), тока дросселя I₅ (кривая 12).

Работу преобразователя поясним на примере заряда емкостного накопителя от нулевого напряжения до некоторой заданной величины Um, большей, чем напряжение питания входного источника U_п.

При заряде накопителя с нулевого напряжения в момент времени t=0 (фиг.2) начинают поступать импульсы управления U_y1 на силовой ключ 1 (кривая 8). Ключ 2 в это время закрыт. Во время открытого состояния ключа 1 ток дросселя I₅ возрастает, причем скорость нарастания определяется выражением

где U_П - напряжение источника питания;

U₆ - напряжение на емкостном накопителе 6;

L - индуктивность дросселя 5.

Во время закрытого состояния ключа 1 ток дросселя спадает по закону:

Частота переключения ключа 1 достаточно высока, поэтому величина пульсаций тока I₅ мала и на кривой 12 фиг.2 ток I₅ представлен гладкими линиями. Алгоритм управления ключом 1 таков, что обеспечивается плавное нарастание тока I₅ на интервале 0-t₁ («мягкий старт»), а затем поддерживается его величина на уровне Im. Поскольку силовой ключ 2 закрыт, ток заряда I₄ (кривая 11) совпадает с током дросселя. Т.о., на интервале времени t₁-t₂ обеспечивается заряд емкости накопителя постоянным током Im.

В момент времени t₂ напряжение на накопителе U₆ достигает величины напряжения U_П на входе преобразователя. Начиная с этого момента, силовой ключ 1 постоянно включен, а на ключ 2 начинают поступать управляющие импульсы U_y2 (кривая 9). Во время открытого состояния ключа 2 ток дросселя нарастает со скоростью

а во время закрытого - спадает по закону

Алгоритм управления выбран таким, что средняя величина тока I₅ остается постоянной и равной Im. Поскольку силовой ключ 1 открыт постоянно, на интервале t₂-t₃ входной ток I₁ (кривая 10) совпадает с током дросселя I₅, чем обеспечивается режим заряда накопителя с постоянной мощностью

В момент времени t₃ напряжение на накопителе достигает требуемой величины Um. В этот момент снимается управляющее напряжение с ключа 1 и он выключается. Одновременно подается постоянное напряжение управления на ключ 2 и он остается во включенном состоянии. Заряд накопителя мгновенно прекращается, поскольку ток дросселя замыкается через открытый ключ 2 и диод 3 (фиг.1). Диод 4 препятствует разряду емкости 6 через открытый ключ 2.

Начиная с момента времени t₃ возможно импульсное потребление запасенной в накопителе энергии. В это время силовые ключи могут оставаться в том же состоянии (ключ 1 - выключен, 2 - включен). После разряда накопителя работа ключей разрешается и процессы в преобразователе повторяются.

На фиг.3 представлена упрощенная электрическая схема преобразователя со схемой управления, позволяющей реализовать описанный выше алгоритм работы силовых ключей. Силовая часть преобразователя содержит входной выпрямитель трехфазного напряжения VD1-VD6, емкость фильтра С1, два IGBT - модуля М1 и М2, дроссель L1, датчик тока UA1, собственно накопитель С2. Модули М1 и М2 (т.н. чопперы) имеют разную внутреннюю схему соединения. В модуле М1 диод чоппера включен в цепи эмиттера транзистора, а в модуле М2 - в цепи коллектора. Схема управления содержит два компаратора DA1 и DA2, четыре логических элемента DD1 - DD4, драйверы IGBT-транзисторов DA3, DA4, микросхему ШИМ - контроллера DA5.

Роль силовых ключей выполняют IGBT-транзисторы в модулях М1 и М2. Драйверы DA3, DA4 формируют необходимые по напряжению и мощности сигналы управления на затворах транзисторов модулей М1 и М2. ШИМ-контроллер DA5 выдает импульсы управления ключами, поддерживая текущее значение тока дросселя на заданном уровне. Для этого к нему подводится сигнал Iдр, снимаемый с датчика тока UA1. Компараторы напряжения DA1 и DA2 задают комбинацию логических сигналов, определяющих режим работы преобразователя. На выходе DA1 формируется сигнал «Режим», определяемый из условия:

где Uвых - напряжение на накопителе С2;

Uвх - входное выпрямленное напряжение.

На выходе DA2 формируется сигнал «Разрешение заряда», определяемый из условия:

где Um - величина требуемого (эталонного) напряжения на накопителе С2.

Сигнал «Режим» используется для управления прохождением импульсов с выхода ШИМ - контроллера через логические элементы DD1 и DD3 к драйверам модулей DA3 и DA4. Так, при малых напряжениях на накопителе (Uвых<Uвx), он равен нулю, импульсы управления проходят через элемент ИЛИ DD1 к драйверу DA3 модуля М1, а через элемент И DD3 - не проходят. Этим обеспечивается режим заряда накопителя постоянным током. При достижении напряжением накопителя величины входного напряжения (Uвых<Uвx), сигнал «Режим» устанавливается в единицу, в результате чего разрешается прохождение импульсов управления через элемент DD3 к драйверу DA4 модуля М2, а на выходе DD1 принудительно устанавливается единица. Этим обеспечивается режим заряда накопителя постоянной мощностью.

Сигнал «Разрешение заряда» используется для мгновенного прекращения заряда накопителя, а также управляет работой ШИМ-контроллера (по его фронту реализуется функция «мягкого старта»). Пока напряжение на накопителе меньше требуемого (эталонного) значения (Uвых<Um), этот сигнал равен единице, и логические элементы DD2 и DD4 не препятствуют прохождению импульсов управления ключами с выходов DD1 и DD3 на входы драйверов DA3 и DA4. Как только выходное напряжение достигает заданной величины (Uвых≥Um), сигнал «разрешение заряда» сбрасывается в нуль, в результате чего на выходе элемента DD2 принудительно устанавливается нуль, а на выходе элемента DD4 - единица. Транзистор модуля М1 принудительно выключается, а транзистор модуля М2 - включается, чем обеспечивается закорачивание дросселя L1 и мгновенное прекращение заряда накопителя С2.

Следует отметить, что максимальные напряжения на полупроводниковых элементах преобразователя не превышают напряжения Um (если оно выше Uвx), поэтому верхняя граница выходного напряжения определяется только классом применяемых полупроводниковых приборов. При применении на входе преобразователя однофазного выпрямителя и внесении изменений в алгоритм работы ШИМ - контроллера, можно наделить преобразователь функциями корректора коэффициента мощности, что повысит его потребительские качества (но несколько снизит предельные скорости заряда).

Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет производить заряд накопителя в более широком диапазоне напряжений (от нуля и выше). Это позволяет использовать его в импульсных схемах с полным разрядом емкостного накопителя, т.е. расширяет область применения. Преобразователь позволяет в любой момент времени прекратить заряд накопителя, чем обеспечивается повышенная стабильность выходного напряжения при любых скоростях заряда накопителя.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для заряда емкостных накопителей энергии, используемых в импульсных электромагнитных устройствах, источниках постоянного напряжения. Технический результат заключается в повышении точности стабилизации выходного напряжения путем мгновенного обрыва тока заряда накопителя. Преобразователь содержит два силовых ключа (1) и (2), диоды (3) и (4), дроссель (5). 4 ил.

Преобразователь постоянного напряжения, содержащий подключенные к источнику входного напряжения последовательно соединенные дроссель и первый силовой ключ, и емкостную нагрузку, подключенную параллельно первому ключу через первый диод, отличающийся тем, что последовательно с источником входного напряжения включен второй силовой ключ, а параллельно источнику входного напряжения со вторым ключом включен второй диод.