УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M3/02 

Изобретение относится к области управления силовой преобразовательной техникой и может быть использовано в обратноходовых импульсных преобразователях напряжения, сетевых корректорах коэффициента мощности, в распределенных системах электропитания для питания электрически развязанных узлов сложных устройств, в частности для питания затворных цепей ключей электроприводов.

Известно схемное решение устройства управления преобразователем напряжения, осуществленное в микросхеме КР1156ЕУ5 (Ю.Семенов, «Схемотехника», ООО «ИД Скимен», Москва, 2001, №9, с.2-5, рис.1), содержащее генератор пусковых импульсов, источник опорного напряжения, компаратор, RS-триггер, логическую схему И, предназначенное для управления обратноходовыми преобразователями напряжения, в которых отсутствует стабилизация частоты преобразования (или ЧИМ - частотно-импульсная модуляция). Однако данное устройство при работе использует в качестве датчика тока силового ключа резистор, соединенный последовательно с силовым ключом и первичной обмоткой трансформатора, позволяющий непрерывно измерять ток первичной обмотки трансформатора в процессе накопления энергии в магнитном поле сердечника и закрывать силовой ключ при достижении порогового тока, соответствующего началу насыщения трансформатора. Использование такого датчика тока приводит к увеличению энергопотерь и снижению КПД преобразователя напряжения, что не позволяет применять данное устройство для мощных преобразователей. Другим недостатком устройства является отсутствие зависимости частоты от напряжения на нагрузке в режиме пуска, когда время размагничивания сердечника велико по сравнению с нормальным режимом работы и очередной прямой ход преобразователя начинается при незначительном размагничивании сердечника трансформатора, что приводит к перегрузке преобразователя в период, пока напряжение на нагрузке не достигнет номинального значения. Все это определяет возможность использования микросхемы только для управления маломощными преобразователями напряжения.

Целью изобретения является создание схемы устройства управления импульсным преобразователем напряжения, позволяющее обеспечить постоянство накапливаемой энергии в силовом трансформаторе на уровне порога насыщения в широком диапазоне входных напряжений без использования датчика тока, а также обеспечить режим прерывистых токов (полное размагничивание сердечника во время обратного хода) в широком диапазоне выходных напряжений в процессе пуска преобразователя, а также при работе в режиме ограничения тока нагрузки и короткого замыкания в ней. При этом достигается максимально возможное использование трансформатора по мощности, снижающее массогабаритные параметры преобразователя, обеспечивается снижение энергопотерь преобразователя, что приводит к увеличению КПД преобразователя и повышает его надежность.

Это достигается тем, что в устройство управления импульсным преобразователем напряжения, содержащее генератор пусковых импульсов, источник опорного напряжения, компаратор, RS-триггер, логическую схему И, введены цепь, состоящая из резистора, параллельно соединенных конденсатора и разрядного ключа, выводы которой являются первым входом устройства управления и подключены к входу преобразователя напряжения, а также первое пороговое устройство, один вход которого подключен к общей точке резистора и конденсатора, другой вход - к первому выводу источника опорного напряжения, а выход - к одному входу RS-триггера, инверсный выход которого подключен к управляющему выводу разрядного ключа, а также цепь, состоящая из выпрямительного устройства, подключенного к одному входу схемы выбора максимального напряжения, выход которой подключен к резистору и соединенным параллельно конденсатору и разрядному ключу, причем выводы этой цепи являются вторым входом устройства управления, при этом второй вывод источника опорного напряжения подключен к другому входу схемы выбора максимального напряжения, а также второе пороговое устройство, один вход которого подключен к общей точке резистора и конденсатора, другой - к первому выводу источника опорного напряжения, а выход - к одному входу логической схемы И, выход которой подключен к другому входу RS-триггера, прямой выход которого подключен к управляющему выводу разрядного ключа и выходу устройства управления, при этом к общей точке выпрямительного устройства и схемы выбора максимального напряжения подключен один вход компаратора, другой его вход подключен к первому выводу источника опорного напряжения, а выход компаратора подключен к одному входу логической схемы ИЛИ, при этом другой вход логической схемы ИЛИ подключен к генератору пусковых импульсов, а выход логической схемы ИЛИ подключен к другому входу логической схемы И, третий вход которой является третьим входом устройства управления.

Предлагаемой схемой устройства управления достигается постоянство тока выключения ключа, не зависящее от входного напряжения преобразователя, чем обуславливается работа трансформатора преобразователя в оптимальном режиме на грани насыщения, то есть максимально используется объем сердечника, что позволяет уменьшить габариты трансформатора при неизменной мощности, при этом не требуется измерение тока для определения момента выключения силового ключа преобразователя напряжения. Предлагаемая схема позволяет автоматически поддерживать режим прерывистых токов с полным размагничиванием сердечника в режиме пуска и короткого замыкания в нагрузке, обеспечивая тем самым безопасный режим работы преобразователя. Все это позволяет предотвратить перегрузку преобразователя напряжения в режиме пуска и снизить потери энергии в сердечнике и силовом ключе преобразователя, что приводит к увеличению КПД преобразователя и повышает его надежность.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства управления импульсным преобразователем напряжения.

На фиг.2 представлено включение устройства управления в функциональную схему обратноходового импульсного преобразователя напряжения с нагрузкой на выходе.

Предлагаемая схема управления импульсным преобразователем напряжения (фиг.1) содержит цепь из резистора 1 и соединенных параллельно конденсатора 2 и разрядного ключа 3, выводы которой являются первым входом устройства управления, а также первое пороговое устройство 4, один вход которого подключен к общей точке резистора 1 и конденсатора 2, а другой - к первому выводу источника опорного напряжения 5, а выход - к одному входу RS-триггера 6, инверсный выход () которого подключен к управляющему выводу разрядного ключа 3, а также цепь, состоящая из выпрямительного устройства 7, подключенного к одному входу схемы выбора максимального напряжения 8, выход которой подключен к резистору 9 и соединенным параллельно конденсатору 10 и разрядному ключу 11, причем выводы этой цепи являются вторым входом устройства управления, при этом второй вывод источника опорного напряжения 5 подключен к другому входу схемы выбора максимального напряжения 8, а также второе пороговое устройство 12, один вход которого подключен к общей точке резистора 9 и конденсатора 10, а другой - к первому выводу источника опорного напряжения 5, а выход - к одному входу логической схемы И 13, выход которой подключен к другому входу RS-триггера 6, прямой выход (Q) которого подключен к управляющему выводу разрядного ключа 11 и выходу устройства управления. К общей точке выпрямительного устройства 7 и схемы выбора максимального напряжения 8 подключен один вход компаратора 14, другой его вход подключен к первому выводу источника опорного напряжения 5, а выход компаратора 14 подключен к одному входу логической схемы ИЛИ 15, при этом другой вход логической схемы ИЛИ 15 подключен к генератору пусковых импульсов 16, а выход логической схемы ИЛИ 15 подключен к другому входу логической схемы И 13, третий вход которой является третьим входом устройства управления.

На фиг.2 предлагается пример включения схемы управления в обратноходовой импульсный преобразователь напряжения, в котором первый вход устройства управления подключен к входу преобразователя напряжения, выход - к управляющему выводу силового ключа 17 преобразователя напряжения, а трансформатор 18 преобразователя напряжения, первичная обмотка 19 которого вместе с выводами фильтра 20 преобразователя напряжения подключена через силовой ключ 17 преобразователя напряжения к входным выводам преобразователя напряжения, а вторичная его обмотка 21 вместе с выводами сглаживающего фильтра 22 преобразователя напряжения через выпрямительный диод 23 преобразователя напряжения - к нагрузке 24, подключенной к выходу преобразователя напряжения. Вход источника опорного напряжения 25 преобразователя напряжения подключен к общей точке сглаживающего фильтра 22 преобразователя напряжения и конца вторичной обмотки 21 трансформатора 18 преобразователя напряжения, а его выход - к одному входу порогового устройства 26 преобразователя напряжения, другой вход которого подключен ко входу источника опорного напряжения 25 преобразователя напряжения. Выход порогового устройства 26 преобразователя напряжения подключен к третьему входу устройства управления. Причем обмотка обратной связи 27 трансформатора 18 преобразователя напряжения подключена ко второму входу устройства управления.

Схема устройства управления работает следующим образом.

В установившемся или переходном режиме, когда напряжение на втором входе устройства управления (напряжение на нагрузке 24) больше или равно напряжению U2 с источника опорного напряжения 5, при условии, что на прямом выходе RS-триггера 6 выставлена логическая «1» (на инверсном выходе - логический «0»), разрядный ключ 3 разомкнут, а разрядный ключ 11 замкнут, при этом конденсатор 2 заряжается через резистор 1, напряжение на нем по экспоненциальному закону стремится к входному напряжению U_вх (напряжению с первого входа устройства управления), подающемуся с опорного источника напряжения 5 на пороговое устройство 4, при этом конденсатор 9 находится в разряженном состоянии. Когда напряжение на конденсаторе 2 достигает величины U1, малым по сравнению с входным напряжением U_вх, на выходе порогового устройства 4 появится логическая «1», при этом на прямом выходе RS-триггера 6 устанавливается логический «0», а на инверсном выходе - логическая «1». При этом разрядный ключ 3 замкнется, разрядив конденсатор 2, а разрядный ключ 11 разомкнется, и конденсатор 10 начинает заряжаться через резистор 9, и напряжение на нем будет стремиться к напряжению на выходе схемы выбора максимального напряжения 8, которое в свою очередь будет приблизительно равным напряжению на нагрузке 24, если оно превышает напряжение U2 с источника опорного напряжения 5, иначе оно будет равным напряжению U2. Продолжительность заряда конденсатора 2 до напряжения U1 равно длительности замкнутого состояния силового ключа 17 преобразователя (прямой ход преобразователя, при котором происходит накопление энергии в сердечнике трансформатора 18 преобразователя), а продолжительность заряда конденсатора 10 определяет длительность паузы до следующего замыкания силового ключа 17 преобразователя (происходит передача энергии, накопленной в сердечнике трансформатора 18 преобразователя, в нагрузку 24 преобразователя). Как только напряжение на конденсаторе 10 достигнет порогового напряжения U1 с опорного источника напряжения 5, на выходе порогового устройства 12 появится логическая «1». На выходе логической схемы И 13 появится логическая «1», которая установит на прямом выходе RS-триггера 6 логическую «1», которая также поступит на выход устройства управления. Разрядный ключ 11 замкнется, разрядив конденсатор 10, а разрядный ключ 3 разомкнется и с выхода устройства управления на силовой ключ 17 поступит логическая «1». С этого момента начинается заряд конденсатора 2 и прямой ход преобразователя, который будет продолжаться до достижения на конденсаторе 2 порогового напряжения U1. Длительность обратного хода преобразователя равна времени размагничивания сердечника трансформатора 18 преобразователя. Длительности прямого и обратного хода преобразователя обратно пропорциональны соответственно входному напряжению преобразователя и напряжению на выходе схемы выбора максимального напряжения 8, что обеспечивает равенство вольт-секундных площадей при намагничивании и размагничивании сердечника трансформатора 18 преобразователя напряжения. В установившемся режиме оно близко к напряжению на нагрузке 24 преобразователя. Поэтому при уменьшении входного напряжения длительность прямого хода преобразователя увеличивается, а при увеличении уменьшается. А так как зависимость тока первичной обмотки трансформатора 18 от времени совпадает по форме с зависимостью напряжения на конденсаторе 2 с точностью до постоянного коэффициента при любых изменениях входного напряжения преобразователя, то к моменту размыкания силового ключа 17 преобразователя ток в первичной обмотке трансформатора 18, а следовательно, и запасенная энергия оказываются постоянными, не зависящими от входного напряжения U_вх. Таким образом не требуется специального измерения тока для определения момента размыкания силового ключа 17 преобразователя.

Длительность обратного хода (время размагничивания сердечника трансформатора 18 преобразователя) тем больше, чем меньше напряжение на нагрузке 24 преобразователя. При этом пауза между запускающими импульсами прямого хода также зависит от напряжения на нагрузке 24, так как резистор 9 подключен к схеме выбора максимального напряжения 8, выходное напряжение которой приблизительно равно напряжению на нагрузке 24 преобразователя. Это препятствует открыванию силового ключа 17 преобразователя до тех пор, пока не закончится размагничивание сердечника трансформатора 18 преобразователя во время обратного хода, что особенно важно при малых напряжениях на нагрузке в режиме пуска.

Во время переходных режимов (в режиме пуска или при коротком замыкании) напряжение с выхода выпрямительного устройства 7, повторяющее напряжение на втором входе устройства, равно нулю. При этом на выходе схемы выбора максимального напряжения 8 присутствует напряжение с источника опорного напряжения 5, равное U2, которое немного больше напряжения U1. С выхода компаратора 14 на вход генератора пусковых импульсов 15 поступает логический «0», одновременно на другой вход логической схемы ИЛИ 15 с генератора пусковых импульсов 16 поступают импульсы логической «1» большой скважности, которые затем поступают на вход логической схемы И 13. Если до окончания действия импульса с генератора пусковых импульсов 16 напряжение на нагрузке 24 превысило пороговое значение U1, то компаратор 14 подает логическую «1» на логическую схему ИЛИ 15 и напряжение на нагрузке продолжает расти, пока не достигнет номинального значения. В случае, когда напряжение на нагрузке к моменту окончания импульса с генератора пусковых импульсов 16 не превышает порогового значения U1, работа преобразователя прервется до прихода следующего импульса с генератора пусковых импульсов 16. Таким образом, в режимах начального пуска и короткого замыкания схема управления преобразователя в течение малого времени анализирует состояние нагрузки 24 преобразователя и в случае ее несоответствия норме делает большую паузу и снова проверяет, повторяя это до тех пор, пока напряжение на нагрузке 24 преобразователя не придет в норму. Вследствие перемножения больших скважностей импульсов с генератора пусковых импульсов 16 и управляющих импульсов силового ключа 17 преобразователя в режиме короткого замыкания преобразователь потребляет чрезвычайно малый ток, составляющий 0,5... 1% от тока в основном режиме работы преобразователя при номинальной мощности. Таким образом автоматически поддерживается режим прерывистых токов с полным размагничиванием сердечника трансформатора 18 преобразователя в режиме пуска и короткого замыкания в нагрузке 24 преобразователя, что препятствует перегрузке схемы при пуске преобразователя и обеспечивает безопасный режим работы преобразователя.

Стабилизация напряжения на нагрузке 24 преобразователя осуществляется за счет выработки запрещающего запуск сигнала, поступающего на вход логической схемы И 13 с третьего входа устройства управления, пока напряжение на нагрузке 24 преобразователя (на втором входе устройства управления) не упадет ниже нормы.

Таким образом, предлагаемая схема устройства управления преобразователем напряжения позволяет исключить датчик тока и не требует измерения тока для определения момента размыкания ключа, обеспечить режим прерывистых токов в режимах пуска и короткого замыкания в нагрузке для безопасного режима работы преобразователя напряжения, достичь максимально возможного использования трансформатора по мощности, снижающее массогабаритные параметры преобразователя, а также повысить надежность, увеличить КПД преобразователя напряжения.

Изобретение относится к управлению силовой преобразовательной техникой и может быть использовано в обратноходовых импульсных преобразователях напряжения, сетевых корректорах коэффициента мощности. Включение устройства управления в преобразователи напряжения позволяет максимально использовать трансформаторы преобразователей по мощности, снизить массу и габариты, повысить надежность и увеличить КПД преобразователей. Устройство содержит цепь, состоящую из резистора, параллельно соединенных конденсатора и разрядного ключа, а также первое пороговое устройство, источник опорного напряжения, RS-триггер и цепь, состоящую из выпрямительного устройства, подключенного к одному входу схемы выбора максимального напряжения, выход которой подключен к резистору и соединенным параллельно конденсатору и разрядному ключу, кроме того, устройство содержит второе пороговое устройство, логическую схему И, компаратор, логическую схему ИЛИ, генератор пусковых импульсов. 2 ил.

Устройство управления импульсным преобразователем напряжения, содержащее генератор пусковых импульсов, источник опорного напряжения, компаратор, RS-триггер, логическую схему И, отличающееся тем, что введены цепь, состоящая из резистора, параллельно соединенных конденсатора и разрядного ключа, выводы которой являются первым входом устройства управления, а также первое пороговое устройство, один вход которого подключен к общей точке резистора и конденсатора, а другой вход - к первому выводу источника опорного напряжения, а выход - к одному входу RS-триггера, инверсный выход которого подключен к управляющему выводу разрядного ключа, а также цепь, состоящая из выпрямительного устройства, подключенного к одному входу схемы выбора максимального напряжения, выход которой подключен к резистору и соединенным параллельно конденсатору и разрядному ключу, причем выводы этой цепи являются вторым входом устройства управления, при этом второй вывод источника опорного напряжения подключен к другому входу схемы выбора максимального напряжения, а также второе пороговое устройство, один вход которого подключен к общей точке резистора и конденсатора, другой вход - к первому выводу источника опорного напряжения, а выход - к одному входу логической схемы И, выход которой подключен к другому входу RS-триггера, прямой выход которого подключен к управляющему выводу разрядного ключа и выходу устройства управления, при этом к общей точке выпрямительного устройства и схемы выбора максимального напряжения подключен один вход компаратора, другой вход компаратора подключен к первому выводу источника опорного напряжения, а выход компаратора подключен к одному входу логической схемы ИЛИ, при этом другой вход логической схемы ИЛИ подключен к генератору пусковых импульсов, а выход логической схемы ИЛИ подключен к другому входу логической схемы И, третий вход которой является третьим входом устройства управления.