СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КЛЮЧЕВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2015 года по МПК H02M3/135 

Настоящее изобретение относится к методам управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное импульсных источников питания [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Импульсные регуляторы и преобразователи постоянного напряжения // М.: Изд-во МЭИ, 1998].

Из существующего уровня техники известны преобразователи постоянного напряжения в постоянное с непосредственной связью (понижающий, повышающий, инвертирующий регуляторы) и их трансформаторные аналоги: понижающего регулятора (прямоходовые однотактные и двухтактные конверторы напряжения), повышающего регулятора [Боровиков В.М., Красников Ю.В. Импульсный регулятор напряжения повышающего типа с непрерывным выходным током и расширенным диапазоном регулирования выходного напряжения (варианты). Патент RU №2299511 C1, H02M 3/335, 26.10.2005] и понижающего регулятора (однотактные обратноходовые конверторы).

Традиционный способ управления преобразователем подразумевает наличие двух режимов (состояний). Первый режим - накопление энергии в магнитном поле индуктивного элемента (или накопление энергии в магнитном поле индуктивного элемента с одновременной передачей энергии в нагрузку), когда ключи открыты. Второй режим - передача энергии в нагрузку (или передача энергии в нагрузку и бестоковая пауза), когда ключи заперты. Для реализации двух режимов работы достаточно одного ключа.

Одним из основных недостатков такого способа управления являются плохие динамические свойства преобразователя импульсного источника питания, а именно возникновение перерегулирования выходного напряжения при включении преобразователя, а также выбросов и провалов выходного напряжения при скачкообразном изменении параметров нагрузки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение динамических свойств преобразователя импульсного источника питания.

Данная задача решается за счет того, что вводятся дополнительные режимы работы преобразователя - хранение верхнего и нижнего уровней энергии в индуктивном элементе. Введение дополнительных режимов требует использования в схеме преобразователя как минимум двух ключей. Если преобразователь одноключевой, то необходимо использование дополнительного ключа и полное изменение алгоритма управления. Если преобразователь выполнен на двух или более ключах, то возможно только изменение алгоритма управления.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является введение двух дополнительных режимов - хранение верхнего уровня накопленной энергии и хранение нижнего уровня, в течение которых запас энергии в индуктивном элементе не меняется.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг.1 - понижающий регулятор напряжения;

на фиг.2 - повышающий регулятор напряжения;

на фиг.3 - инвертирующий регулятор напряжения;

на фиг.4 - переходные процессы при включении преобразователя;

на фиг.5 - переходные процессы в режиме сброса/наброса нагрузки в понижающем регуляторе напряжения.

Удобно рассмотреть процессы, протекающие в регуляторах с непосредственной связью (фиг.1-3), так как и регуляторы, и их аналоги работают идентично.

Общим для трех типов регуляторов является то, что, во-первых, после открывания ключа происходит увеличение энергии в индуктивном элементе. Увеличение энергии индуктивного элемента у понижающего регулятора сопровождается одновременным поступлением энергии в нагрузку. У повышающего и инвертирующего регуляторов этот эффект не наблюдается.

Во-вторых, при закрывании ключа уменьшается количество энергии в индуктивном элементе. При этом у понижающего и инвертирующего регуляторов в нагрузку поступает энергия, накопленная в индуктивном элементе. У повышающего регулятора в нагрузку поступает суммарная энергия, накопленная в индуктивном элементе и отдаваемая источником.

Понижающий, повышающий и инвертирующий регуляторы имеют схожие динамические характеристики. Поэтому удобно рассмотреть переходные процессы при скачкообразном изменении параметров нагрузки на примере одного из регуляторов, в частности понижающего регулятора (фиг.1).

У вышеназванного регулятора в установившемся режиме средний ток через индуктивный элемент равен среднему току нагрузки. При скачкообразном изменении параметров нагрузки возникают провалы или выбросы выходного напряжения, сопровождающиеся затухающим колебательным переходным процессом на частоте автоколебаний LC-фильтра (фиг.4).

Устранить этот эффект можно с помощью введения режимов хранения. Введение дополнительных режимов требует установки еще одного ключа, шунтирующего индуктивный элемент.

Благодаря дополнительному ключу можно обеспечить избыточный запас энергии в индуктивном элементе и устранить провал выходного напряжения при скачкообразном увеличении тока нагрузки, а также в нужный момент прекратить поступление энергии в нагрузку, тем самым исключив выбросы выходного напряжения при скачкообразном сбросе нагрузки (фиг.5).

Похожие переходные процессы имеют место в повышающем и инвертирующем регуляторах с той лишь разницей, что затухание выбросов носит апериодический характер. Введение режимов хранения позволяет устранить вышеназванные негативные эффекты.

Вышесказанное относится к режиму непрерывных токов (РНТ). В частном случае, в режиме прерывистых токов (РПТ) остается только хранение верхнего уровня энергии, нижнему уровню соответствует отсутствие энергии в индуктивном элементе. Поэтому при работе в РПТ устраняются только выбросы, а провалы напряжения нельзя устранить.

Изобретение относится к преобразовательной технике. Способ управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное, содержащими индуктивный элемент в выходном фильтре или в индуктивном накопителе энергии. К традиционным режимам работы преобразователя: увеличению и уменьшению энергии в индуктивном элементе, добавляются два дополнительных режима - хранение верхнего уровня накопленной энергии и хранение нижнего уровня, в течение которых запас энергии в индуктивном элементе не меняется. Технический результат - устранение выбросов и провалов выходного напряжения при быстром выходе на режим и при скачкообразном изменении параметров нагрузки. 5ил.

Способ управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное, содержащими индуктивный элемент в выходном фильтре или в индуктивном накопителе энергии, заключающийся в том, что в таких преобразователях в зависимости от состояния ключей используются два режима работы: первый сопровождается увеличением энергии в индуктивном элементе, второй - ее уменьшением, отличающийся тем, что вводятся два дополнительных режима - хранение верхнего уровня накопленной энергии и хранение нижнего уровня, в течение которых запас энергии в индуктивном элементе не меняется.