СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02M3/156 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для обеспечения бесперебойного питания нагрузки стабилизированным постоянным напряжением.

Известно устройство [Патент Российской Федерации №2254659, 7 H02J 9/06, 2005], содержащее основной силовой преобразователь, непосредственно подключенный к нагрузке, аккумуляторную батарею с зарядным устройством, подключенную к нагрузке через тиристор с блоком управления, а также измерительный компаратор, подключенный по выходу к блоку управления, снабженный датчиком наличия питающей сети, выход которого подключен к блоку управления тиристора и контактора, нормально разомкнутые контакты которого включены параллельно тиристору, а вход измерительного компаратора подключен к аккумуляторной батарее. По сигналу датчика наличия напряжения питающей сети включается тиристор, при этом ток начинает поступать из аккумуляторной батареи в нагрузку. Тиристор находится во включенном состоянии ограниченное время, равное времени срабатывания контактора. При срабатывании контактора тиристор закорачивается его контактами и выключается, а ток продолжает поступать в нагрузку через замкнувшиеся контакты сработавшего контактора. Однако такая схема не сможет обеспечить полное отсутствие скачков напряжения в нагрузке, и, кроме того, дублирование тиристора контактором увеличивает стоимость и габариты устройства, особенно при большой мощности устройства.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является стабилизатор напряжения [Патент Российской Федерации №2217853, H02J 7/10, 2001], содержащий первый диод, катод которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а анод соединен с первым выводом дросселя и катодом второго диода, первый МДП-транзистор, сток которого подключен к катоду первого диода, а исток к аноду первого диода, второй МДП-транзистор, сток которого подключен к катоду второго диода, а исток к аноду второго диода, вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, третий диод, катод которого подключен ко второму выводу дросселя, а анод к общему проводу схемы, третий МДП-транзистор, исток которого соединен со вторым выводом дросселя, а сток с первым выводом второго конденсатора фильтра, четвертый диод, анодом подключенный ко второму выводу дросселя, а катодом к стоку третьего МДП-транзистора, четвертый МДП-транзистор, истоком соединенный с анодом третьего диода, а стоком со вторым выводом дросселя, и источник питания, при этом выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки. Стабилизатор напряжения предназначен, в частности, для питания автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии АБ. Недостатком данного устройства является возможность появления провала напряжения на нагрузке при пропадании напряжения источника питания из-за невозможности мгновенного изменения направления тока через дроссель. Кроме того, на диодах происходит существенное выделение тепла, что ухудшает КПД устройства.

Задачей изобретения является создание стабилизатора напряжения, исключающего появление провалов напряжения на нагрузке при переходе на резервное питание от АБ из-за пропадания питающего напряжения и возможности увеличения КПД устройства.

Поставленная задача решается тем, что в известном стабилизаторе напряжения для питания автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии АБ, содержащий первый диод, катод которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а анод соединен с первым выводом дросселя и катодом второго диода, первый МДП-транзистор, сток которого подключен к катоду первого диода, а исток к аноду первого диода, второй МДП-транзистор, сток которого подключен к катоду второго диода, а исток к аноду второго диода, вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, третий диод, катод которого подключен ко второму выводу дросселя, а анод к общему проводу схемы, третий МДП-транзистор, исток которого соединен со вторым выводом дросселя, а сток с первым выводом второго конденсатора фильтра, четвертый диод, анодом подключенный ко второму выводу дросселя, а катодом к стоку третьего МДП-транзистора, четвертый МДП-транзистор, истоком соединенный с анодом третьего диода, а стоком со вторым выводом дросселя, и источник питания, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения нагрузки, введено изменение, а именно выводы источника питания соединены с выводами первого конденсатора фильтра.

Такое построение схемы, при котором источник питания одновременно заряжает АБ и питает нагрузку, позволяет исключить провалы напряжения на нагрузке при пропадании питающего напряжения, т.к. при этом не происходит изменения направления тока через дроссель. Увеличение КПД устройства достигается применением так называемого «синхронного выпрямления», когда во время фазы проводимости диода открывается параллельный ему МДП-транзистор.

На фиг.1 представлена схема стабилизатора напряжения.

На фиг.2 представлены управляющие сигналы на затворах МДП-транзисторов в различных режимах работы.

Стабилизатор напряжения включает источник питания 1, аккумуляторную батарею (АБ) 2, положительный вывод которой соединен с положительным выводом источника питания 1, а отрицательный с отрицательным выводом источника питания 1 и общим проводом схемы, первый конденсатор фильтра 3, соединенный с выводами АБ 2, первый диод 4, соединенный катодом с положительным выводом АБ 2, первый МДП-транзистор 5, соединенный стоком с катодом первого диода 4, а истоком с анодом первого диода 4, второй диод 6, катодом соединенный с анодом первого диода 4, а анодом с общим проводом схемы, дроссель 7, первый вывод которого соединен с катодом второго диода 6, третий диод 8, анодом подключенный к общему проводу схемы, а катодом ко второму выводу дросселя 7, четвертый МДП-транзистор 9, соединенный стоком с катодом третьего диода 8, а истоком с анодом третьего диода 8, четвертый диод 10, анодом соединенный с катодом третьего диода 8, второй конденсатор фильтра 11, соединенный с катодом четвертого диода 10 и общим проводом схемы, нагрузку 12, подключенную к выводам второго конденсатора фильтра 11, второй МДП-транзистор 13, истоком соединенный с анодом второго диода 6, стоком с катодом второго диода 6, и третий МДП-транзистор 14, истоком соединенный с анодом четвертого диода 10, а стоком с катодом четвертого диода 10.

Стабилизатор работает следующим образом. Источник питания 1 выдает напряжение заряда АБ 2 и питает остальную (преобразовательную) часть схемы. В момент пропадании питающего напряжения энергия, необходимая для поддержания напряжения (Uнаг) на нагрузке 12, начинает поступать от АБ 2. Благодаря этому на входе преобразовательной части схемы отсутствуют резкие скачки напряжения как при пропадании, так и при появлении питающего напряжения. При этом напряжение питания может быть как больше, так и меньше напряжения на нагрузке 12.

МДП-транзистор 5, конденсатор фильтра 3, диод 6, МДП-транзистор 13, дроссель 7 образуют понижающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий поддержание напряжения нагрузки 12 при Uаб>Uнаг с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки 12, при этом МДП-транзистор 9 постоянно закрыт, а МДП-транзистор 14 постоянно открыт, шунтируя диод 10 и уменьшая таким образом тепловыделение. МДП-транзистор 13 работает в противофазе по отношению к МДП-транзистору 5 («синхронное выпрямление») для сокращения фазы проводимости диода 6 и уменьшения тепловыделения на нем, при этом существуют задержки между открытием одного и закрытием другого МДП-транзистора («мертвое время») для предотвращения сквозных токов через оба МДП-транзистора.

Во время открытого состояния МДП-транзистора 5 происходит накопление энергии в дросселе 7, при этом ток течет через нагрузку 12 и подзаряжает конденсатор фильтра 11. Во время закрытого состояния МДП-транзистора 5 происходит отдача энергии, накопленной в дросселе 7, в нагрузку 12 по цепи МДП-транзистор 13 (в мертвое время - через диод 6), дроссель 7, МДП-транзистор 14, а конденсатор фильтра 11 поддерживает напряжение на нагрузке. Стабилизация напряжения нагрузки 12 осуществляется за счет изменения соотношения времени открытого состояния МДП-транзистора 5 ко времени его закрытого состояния в зависимости от напряжения на входе понижающего ШИМ-преобразователя.

МДП-транзистор 9, диод 10, МДП-транзистор 14, дроссель 7, конденсатор фильтра 11 образуют повышающий ШИМ-преобразователь, обеспечивающий поддержание напряжения нагрузки 12 при Uаб<Uнаг с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки 12, при этом МДП-транзистор 5 постоянно открыт, а МДП-транзистор 13 постоянно закрыт. МДП-транзистор 14 работает в противофазе по отношению к МДП-транзистору 9 для сокращения фазы проводимости диода 10 и уменьшения тепловыделения на нем, при этом существуют задержки между открытием одного и закрытием другого МДП-транзистора для предотвращения сквозных токов через оба МДП-транзистора.

Во время открытого состояния МДП-транздстора 9 происходит накопление энергии в дросселе 7, при этом ток через нагрузку 12 поддерживается за счет разряда конденсатора фильтра 11. Во время закрытого состояния МДП-транзистора 9 происходит отдача энергии дросселя 7 в нагрузку 12 и в конденсатор фильтра 11 по цепи АБ 2, МДП-транзистор 5, дроссель 7, МДП-транзистор 14 (в мертвое время - через диод 10). Стабилизация напряжения нагрузки 12 осуществляется за счет изменения соотношения времени открытого состояния МДП-транзистора 9 ко времени его закрытого состояния в зависимости от напряжения на входе повышающего ШИМ-преобразователя.

Построение входной части стабилизатора напряжения с источником питания, непосредственно заряжающим АБ, позволяет обеспечить преобразовательную часть схемы питанием без резких скачков напряжения как при пропадании, так и при появлении питающего напряжения, т.к. напряжение на АБ не может измениться скачком. Понижающий и повышающий ШИМ-преобразователи работают поочередно в зависимости от соотношения Uаб и Uнаг, обеспечивая поддержание напряжения на нагрузке в заданных пределах без резких скачков при появлении/пропадании питающего напряжения.

Работа МДП-транзисторов в режиме синхронного выпрямления сокращает время проводимости параллельных им диодов, сокращая таким образом тепловыделение и увеличивая КПД стабилизатора.

Используется в качестве устройства для обеспечения бесперебойного питания нагрузки стабилизированным постоянным напряжением при помощи понижающего и повышающего ШИМ-преобразователей с использованием синхронного выпрямления. Техническим результатом является создание стабилизатора напряжения, исключающего появление провалов напряжения на нагрузке при переходе на резервное питание от аккумуляторной батареи из-за пропадания питающего напряжения и увеличение КПД устройства. 2 ил.

Стабилизатор напряжения, содержащий первый диод, катод которого подсоединен к первому выводу первого конденсатора фильтра, а анод соединен с первым выводом дросселя и катодом второго диода, первый МДП-транзистор, сток которого подключен к катоду первого диода, а исток - к аноду первого диода, второй МДП-транзистор, сток которого подключен к катоду второго диода, а исток - к аноду второго диода, вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, третий диод, катод которого подключен ко второму выводу дросселя, а анод - к общему проводу схемы, третий МДП-транзистор, исток которого соединен со вторым выводом дросселя, а сток - с первым выводом второго конденсатора фильтра, четвертый диод, анодом подключенный ко второму выводу дросселя, а катодом к стоку третьего МДП-транзистора, четвертый МДП-транзистор, истоком соединенный с анодом третьего диода, а стоком со вторым выводом дросселя, и источник питания, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения нагрузки, отличающийся тем, что выводы источника питания соединены с выводами первого конденсатора фильтра.