МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02M3/335 H02M3/337 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве многоканальных преобразователей постоянного напряжения в постоянное для систем вторичного электропитания с рядом потребителей, требующих гальваническую развязку шин питания.

Известны трансформаторы постоянного напряжения (ТПН), предназначенные для преобразования постоянного напряжения в требуемую номенклатуру вторичных гальванически развязанных напряжений электропитания функциональной аппаратуры [1-4]. В отличие от широкого класса управляемых и стабилизированных источников вторичного электропитания группа ТПН объединяет преобразователи, обеспечивающие гальваническую развязку и трансформаторное согласование первичного и вторичных напряжений. В ряде практических случаев группа ТПН может быть обеспечена централизованным стабилизатором первичного напряжения, как правило, без гальванической развязки [5].

Основой реализации ТПН является инвертор, преобразующий первичное постоянное напряжение в переменное высокочастотное напряжение, которое трансформируется до необходимых значений и выпрямляется, образуя источники с заданными вторичными напряжениями. В известных ТПН используются инверторы с внешним возбуждением от задающих генераторов (ЗГ), обеспечивающих управление транзисторами двухтактных каскадов, выполненных по полумостовым [2, 3, 4], либо мостовым [5] схемам ключевых усилителей мощности (КУМ). В состав известных устройств входят ключевой усилитель мощности, шины питания которого соединены с шинами первичного напряжения, входы управления подключены к выходам задающего генератора, а выходы подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичные обмотки которого через выпрямитель и выходной фильтр соединены с шинами вторичных напряжений. Использование ключевого режима работы и высокой частоты переключений (десятки и сотни кГц) транзисторов КУМ позволяют принципиально сократить габариты и массу известных ТПН по сравнению с силовыми трансформаторами промышленной частоты при достижении высокого КПД преобразования. Важным фактором использования многоканальных ТПН является обеспечение стабильности нагрузочных характеристик вторичных напряжений, что обеспечивает удобство их применения при работе на различную, в том числе и изменяющуюся нагрузку без дополнительных звеньев стабилизации. Попытка реализовать стабилизацию отдельных каналов вторичных напряжений, предложенная в известном решении [2], приводит к дополнительным потерям энергии и ухудшает качество электропитания потребителей.

Улучшение стабильности выходных вторичных напряжений может быть достигнуто изменением централизованного вторичного напряжения электропитания введением обратной связи по одному из каналов в управление централизованного звена преобразования, как предлагается в устройстве [5]. Однако такой подход возможен только в случае единичной и неизменной нагрузки всех каналов при многоканальной схеме ТПН.

Достоинством решения, предложенного в известном устройстве [3], при реализации преобразования первичного напряжения КУМ в импульсное напряжение типа меандр является обеспечение жесткой нагрузочной характеристики вторичных напряжений, что дополнительно достигается применением синхронного выпрямителя на сильноточных низкоомных полевых транзисторах. В выполнении такого устройства по многоканальной схеме могут быть обеспечены практически неизменные вторичные напряжения в номинальном режиме, в том числе и в режимах перегрузки. Недостатком известного устройства являются повышенные потери на переключение транзисторов, связанные с жестким включением при протекании тока и перезарядом собственных емкостей при включении транзисторов. Принципиальной особенностью работы известного устройства является критичность режимов значительной перегрузки, включая режим короткого замыкания, защита от которого возможна только при отключении устройства в целом, что ограничивает его применение в качестве многоканального ТПН. Указанные недостатки ухудшают характеристики электромагнитной совместимости, повышают тепловыделение и понижают надежность работы, что препятствует внедрению известных устройств в качестве ТПН в системах электропитания сложной разветвленной аппаратуры приемных трактов и других комплексов с повышенными требованиями к качеству электропитания и ограниченными возможностями охлаждения.

Техническим решением, наиболее близким к предлагаемым по совокупности существенных признаков, является ТПН, описанный в патенте РФ №2267218 [4]. В устройстве-прототипе устранен недостаток известных устройств, связанный с жестким режимом переключения, и реализуется ограничение выходного тока отдельных каналов при перегрузке и коротком замыкании. Преимущества устройства-прототипа обеспечиваются использованием квазирезонансного режима работы за счет включения в выходную цепь КУМ резонансной последовательно-параллельной LC схемы с дополнительными звеньями диодной рекуперации. Тем самым реализуется инвертор с мягкими траекториями включения транзисторов по нулю тока и напряжения, а также достигается ограничение выходного тока при перегрузке и коротком замыкании.

Устройство-прототип (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, двухтактный ключевой усилитель мощности 2, резонансный дроссель 3, резонансный конденсатор 4, трансформатор 5 с n-вторичными обмотками 5.1…5.n. Двухтактный ключевой усилитель 2 в устройстве прототипа может быть реализован как по мостовой схеме оконечного каскада, так и по полумостовой схеме с емкостным делителем между шинами электропитания, средняя точка которого является одним из выходов КУМ2.

В известном устройстве (фиг. 1) шины электропитания двухтактного КУМ2 соединены с шинами первичного электропитания +Е, -Е, входы управления двухтактного КУМ2 подключены к выходам задающего генератора 1 (ЗГ), последовательно соединенные резонансный дроссель 3 и резонансный конденсатор 4 включены между выходами двухтактного КУМ2, цепь диодной рекуперации, содержащая последовательно включенные диоды 8.1 и 8.2, включена между шинами первичного питания +Е, -Е и подсоединена средней точкой к средней точке соединения резонансного дросселя 3 и резонансного конденсатора 4, в свою очередь, резонансный конденсатор 4 подсоединен параллельно к первичной обмотке трансформатора 5, n-вторичных обмоток 5.1…5.n подключены через выпрямители 6.1…6.n и емкостные фильтры 7.1…7.n к шинам вторичных напряжений U₁…U_n.

Структурная схема многоканального ТПН-прототипа и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу, представлены на фиг. 1 и фиг. 2.

Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом. Задающий генератор 1 формирует импульсные сигналы управления V1, V2 на прямом и инверсном выходах с постоянной частотой следования ω. Импульсные сигналы, поступающие на входы управления КУМ2, представляют симметричное напряжение типа «меандр» с задержкой фронта импульсов на временной интервал τ≈0,1 мкс, обеспечивающий исключение сквозных токов транзистор - транзистор. В результате на выходах КУМ2 формируется симметричное знакопеременное импульсное напряжение V частот ω, фронт и спад которого формируется в процессе перезаряда собственных емкостей транзисторов за временной интервал τ. При этом в дросселе 3 ток i_L, вызванный импульсным напряжением V, который замыкается через резонансный конденсатор 4 и при достижении напряжения U₁ уровня напряжения электропитания через диодную цепь рекуперации на шины электропитания КУМ2. Одновременно напряжение U₁ первичной обмотки трансформатора передается через вторичные обмотки 5.1…5.n на соответствующие выпрямители 6.1…6.n и через емкостные фильтры 7.1…7.n на шины вторичных напряжений U₁…U_n.

В режиме номинальной мощности амплитуда напряжения U_1M обеспечивается несколько ниже напряжения электропитания (U_M≈0,95Е), диодная цепь рекуперации закрыта, и вся энергия резонансного контура передается в нагрузку. При уменьшении тока нагрузки избыточная часть энергии резонансной цепи замыкается через диодную цепь рекуперации в шины электропитания КУМ, что соответствует некоторому увеличению амплитуды напряжения U_M≈1,05Е и его возрастанию в режимах, близких к холостому ходу, до значений U_1M=1,1…1,2E. В результате в устройстве-прототипе наблюдается заметная нестабильность нагрузочных характеристик вторичных напряжений. Достоинством многоканального ТПН-прототипа является устойчивая работа в режимах токовой перегрузки и короткого замыкания по одному из каналов либо по группе каналов. В частности, максимальный выходной ток КУМ для заданной частоты переключений в режиме короткого замыкания ограничим значением:

где Е - амплитуда импульсного напряжения V на выходах КУМ;

ω - частота переключений, (Т- период переключений);

L - индуктивность резонансного дросселя.

В номинальном режиме работы, при котором вся энергия, запасенная в дросселе, передается в нагрузку, амплитуда тока I_MH определяется параметрами резонансной цепи:

где С - емкость резонансного конденсатора.

В устройстве-прототипе резонансная частота последовательно-параллельного контура выбирается выше частоты переключений ω_p=(2÷3)ω_p, что позволяет облегчить превышение тока I_M в режиме короткого замыкания не более чем на 20% по сравнению с номинальным током. При этом достигается суммарная нестабильность вторичных напряжений не более 10÷15% в условиях изменения импеданса нагрузки более чем в 10 раз от номинального значения. Это достигается при практически неизменной амплитуде тока дросселя I_L=I_M за счет рекуперации избыточной энергии, запасенной в элементах резонансного контура через диодную цепь рекуперации в шины электропитания, снабженные емкостным фильтром в составе КУМ. В результате потери мощности в транзисторах КУМ2 и резонансных элементах дросселя 3 и конденсаторе 4 остаются практически неизменными при уменьшении выходной мощности, что приводит к заметному снижению КПД. Отмеченное обстоятельство усугубляется наличием режима выключения транзистора КУМ при протекании номинального тока.

Таким образом, к выраженным недостаткам известного многоканального ТПН-прототипа относятся низкая стабильность нагрузочных характеристик и пониженный КПД преобразования. Дополнительным недостатком устройства-прототипа является групповое включение выходных каналов вторичных напряжений через трансформатор к единой резонансной цепи. В частности, при такой реализации перегрузка по одному из каналов, особенной в режиме КЗ, обеспечивает протекание через неисправный канал суммарного тока КУМ, который может многократно превышать значение номинального тока канала. Указанное обстоятельство понижает надежность работы известного многоканального ТПН.

Выделенные недостатки, связанные с повышенным тепловыделением, нестабильностью нагрузочных характеристик и групповой зависимостью выходных напряжений каналов при многократном повышении тока канала в режимах короткого замыкания, существенно ограничивают возможности применения устройства-прототипа в многоканальных системах электропитания.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и стабильности нагрузочных характеристик каналов вторичных напряжений, обеспечение индивидуальной защиты каждого канала от режима перегрузки для расширения области применения многоканального ТПН в системах электропитания.

Для решения поставленной задачи в известный многоканальный ТПН, содержащий двухтактный ключевой усилитель мощности, шины электропитания которого подключены к шинам первичного постоянного напряжения, задающий генератор, прямой и инверсный выходы которого соединены с первым и вторым входами двухтактного ключевого усилителя мощности, резонансный дроссель и резонансный конденсатор, причем выводы n вторичных обмоток трансформатора соединены с входами соответствующих n выпрямителей, выходы которых параллельно соединены с n емкостными фильтрами, а также n шинами выходных напряжений, введена новая совокупность блоков и связей. В предлагаемом устройстве дополнительно введены n ключевых нормализаторов тока, а резонансный конденсатор включен последовательно с резонансным дросселем и первичной обмоткой трансформатора между выходами двухтактного ключевого усилителя мощности, причем между выходами каждого i-того емкостного фильтра и i-той шиной выходного напряжения, где i=1…n, включен соответствующий i-тый ключевой нормализатор тока. Причем каждый из n-ключевых нормализаторов тока содержит последовательный однотактный ключевой усилитель, индуктивный фильтр, широтно-импульсный модулятор, датчик тока и источник опорного напряжения, шины электропитания последовательного однотактного ключевого усилителя присоединены к выходу соответствующего выпрямителя, а выход подключен через индуктивный фильтр и датчик тока к шинам соответствующего выходного напряжения, в свою очередь, вход последовательного однотактного ключевого усилителя соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, входы которого соединены соответственно с выходом источника опорного напряжения и выходом датчика тока.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении энергетической эффективности и стабильности выходного напряжения при изменении нагрузки в условиях раздельной защиты каналов многоканального ТПН от режима токовой перегрузки для расширения области применения в системах вторичного электропитания.

Обеспечение технического результата достигается жесткой характеристикой выходного напряжения каналов, близкой к генератору напряжения с весьма малым собственным сопротивлением и введением режима стабилизации выходного напряжения отдельных каналов при превышении выходным током заданного порогового значения.

Обеспечение стабильности выходного напряжения каналов в предлагаемом устройстве реализуется с использованием последовательного высокодобротного резонансного контура, настроенного резонансной частотой на частоту переключения КУМ, что минимизирует реактивную и активную составляющую собственного сопротивления резонансного инвертора, приведенные к выходному сопротивлению каждого канала. При этом достигаются резонансные траектории выходного тока КУМ и соответственно включение и отключение транзисторов по нулю тока и напряжения, отвечающие условию минимизации потерь энергии.

Для защиты каждого отдельного канала в шины выходных напряжений в предлагаемом устройстве включены ключевые нормализаторы тока, каждый из которых настроен на ограничение выходного тока заданной величины, как правило, равной I_MП=1,2 I_МП от значения номинального тока нагрузки I_МП n-канала, до значения выходного тока I_n<I_м, транзистор ключевого нормализатора тока, как правило, выполняемый на сильноточном полевом транзисторе, находится в открытом состоянии с весьма малым сопротивлением, что соответствует условию минимизации статических потерь. При режиме перегрузки ключевой нормализатор тока отдельного канала приходит в режим импульсной стабилизации выходного тока, обеспечивающего независимую работу отдельных каналов ТПН.

В результате, в предполагаемом многоканальном ТПН выходной ток КУМ не превышает суммарного выходного тока каналов, приведенного к первичной обмотке трансформатора при обеспечении резонансных траекторий переключения транзисторов в условиях минимизации динамических и статических потерь энергии. При этом в режиме перегрузки отдельных каналов обеспечивается бесперебойное формирование вторичных напряжений на остальных каналах ТПН в условии ограничения выходного тока перегруженных каналов на безопасном уровне.

Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах преобразовательной техники ранее не использовалась, позволяет впервые реализовать многоканальный трансформатор напряжения с улучшенными характеристиками энергетической эффективности и повышенной стабильностью нагрузочных характеристик выходных напряжений в условиях индивидуальной защиты каналов в режимах перегрузки. Положительный эффект достигается не суммарным эффектом от применения отдельных блоков, а связан с новой, ранее не использованной структурой реализации многоканального ТПН с совокупностью связей и режимов работы блоков, объединенных единством решаемой задачи.

Особенность реализации устройства прототипа и сущность изобретения поясняются фиг. 1, 2 и фиг. 3, 4. Структурные схемы устройства прототипа и предлагаемого многоканального ТПН приведены на фиг. 1 и на фиг. 3 соответственно, а временные диаграммы сигналов, поясняющие их работу, иллюстрируются соответственно фиг. 2 и фиг. 4.

Предлагаемый многоканальный ТПН (фиг. 3) содержит задающий генератор 1, двухтактный ключевой усилитель 2, резонансный дроссель 3, резонансный конденсатор 4, трансформатор 5, содержащий первичную обмотку и n-вторичных обмоток 5.1…5.n, n-выпрямителей 6.1…6.n, n-емкостных фильтров 7.1…7.n и n ключевых нормализаторов тока 8.1…8.n. Каждый из n-ключевых нормализаторов тока выполнен аналогично КТН. 8.1 и содержащему источник опорного напряжения 8.1.1, широтно-импульсный модулятор 8.1.2, датчик тока 8.1.3, однотактный последовательный ключевой усилитель мощности 8.1.4, индуктивный фильтр 8.1.5.

Задающий генератор может быть выполнен на формирователе импульсных сигналов заданной частоты, включающем в своем составе драйверы прямого и инверсного импульсного сигнала с временной задержкой включения, аналогично используемому в микросхеме IRF2153C.

Двухтактный КУМ2 реализуется в виде полумостовой либо мостовой схем оконечного каскада на полевых транзисторах, адаптированных к первичному постоянному напряжению электропитания с допустимым током, обеспечивающим требуемую номинальную мощность ТПН. Например, для напряжения электропитания Е₀=300 В может быть применен транзистор типа XFH15N с допустимым напряжением 600 В и максимальным током 15 А, что соответствует номинальной мощности Р_н=(1000-2000) Вт. Параметры резонансных конденсатора 4 и дросселя 3 определяются частотой переключений КУМ ω и требуемой стабильностью нагрузочной характеристики при заданной номинальной выходной мощности ТПН. Резонансная частота ω_р в предлагаемом техническом решении совпадает с частотой переключений ω:

где L и С - индуктивность и емкость элементов 3 и 4 резонансного контура.

При этом амплитуда квазигармонического тока L_M резонансного контура определяется уменьшением амплитуды импульсного напряжения U_1M на первичной обмотке трансформатора Δе по сравнению с амплитудой импульсного напряжения V_M на выходе КУМ.

где

Отклонение Δе с точностью до остаточных напряжений на элементах выпрямителей 6.1…6.n и потерь в обмотках трансформатора 5 определяет отклонения выходных напряжений U₁…U_n, величина которых установлена заданными коэффициентами трансформации для каждого i-ого выхода:

где Е≈V_M

На практике для высокоэффективных ТПН влияние собственных сопротивлений элементов КУМ и обмоток трансформатора на выходные вторичные напряжения весьма незначительно и не превышает 1…2%. Современные методы выпрямления импульсных сильноточных сигналов с применением синхронных выпрямителей, выполненных на сильноточных полевых транзисторах, также позволяют минимизировать изменение выходных напряжений. В этих условиях параметры резонансной цепи являются определяющими для нагрузочных характеристик стабильности выходных напряжений предлагаемого ТПН. Параметры С и L могут быть выбраны с учетом требуемой суммарной выходной мощности P_H и заданного допустимого изменения выходных напряжений при изменении результирующей нагрузки от номинального значения до холостого хода.

Относительное значение нестабильности выходных напряжений δе, обусловленное наличием контура, определяется соотношением:

где P_H≈U_1Mi_1M

Для заданной номенклатуры и энергоемкости вторичных напряжений U₁…U_n ток первичной обмотки i_1M может быть определен как сумма выходных токов шин n выходных напряжений при заданной нагрузке каждого канала R_H1…R_Hn

где R_H - результирующее сопротивление на нагрузке, приведенное к первичной обмотке трансформатора.

В результате для заданной относительной нестабильности нагрузочных

характеристик (6) определяются соотношения параметров I и С колебательного контура.

Таким образом, для заданной суммарной выходной мощности и требуемой стабильности выходных напряжений при установленной частоте переключений рассчитываются параметры резонансных элементов L и С:

Трансформатор 5, как правило, должен выполняться на высокочастотном магнитопроводе с учетом минимизации потерь в первичных и вторичных обмотках. Соотношение витков обмоток должно удовлетворять условию (5) для обеспечения требуемой номенклатуры вторичных напряжений. При выборе сечения вторичных обмоток необходимо учитывать энергоемкость выходного напряжения каждого отдельного канала. Существующее ограничение (5), как правило, соответствует большинству случаев применения ТПН для задач формирования ряда идентичных напряжений с гальванической развязкой. К дополнительным требованиям стабильности нагрузочных характеристик выходных напряжений относится условие минимизации индуктивности рассеяния трансформатора Ls. Ограничение по этому параметру может быть устранено учетом значения Ls в суммарной индуктивности резонансного контура. С учетом выделенных особенностей проектирование многоканального трансформатора может быть реализовано по известным правилам для высокочастотных импульсных трансформаторов [1].

Выпрямители 6.1…6.n реализуются по известным правилам на сильноточных импульсных диодах, соответствующих напряжению и токовой нагрузке каждого канала. В качестве диодов выпрямителей может быть рекомендовано использование диодов с малым остаточным напряжением. Новым направлением реализации выпрямителей является использование в качестве элементов сильноточных полевых транзисторов, управляемых синхронно с выпрямленным импульсным напряжением. Пример синхронного выпрямителя приведен в [3] и может быть применен в составе предлагаемого устройства, чем достигается минимизация потерь энергии и минимизация влияния параметров выпрямителя на нагрузочную характеристику отдельных каналов вторичных напряжений.

Емкостные фильтры 7.1…7.n, подключенные непосредственно к выходам выпрямителей, являются неотъемлемой частью предлагаемого устройства и обеспечивают замыкание выходного квазигармонического тока резонансного контура через трансформатор 5 и выпрямители 6.1…6.n. Емкость фильтров 7.1…7.n должна выбираться из условия обеспечения эффективной фильтрации высокочастотных составляющих выходного импульсного напряжения и допустимого отклонения выходного напряжения каналов в номинальном режиме работы:

где i_ni, R_Hi, - номинальные величины выходного тока и сопротивления нагрузки i-ого канала.

Введение нормализаторов тока 8.1_...8.n в состав предлагаемого многоканального ТПН обусловлено необходимостью защиты каналов от режимов перегрузки и необходимостью обеспечения устойчивой работы при подключении емкостной нагрузки, в том числе при импульсном характере потребления отдельных каналов. В условиях номинального режима работы для заданной максимальной величины, как правило, не более (0,04-0,06)Е амплитуда выходного тока КУМ определяется выражением (4) и соответствует требуемому значению номинальной суммарной выходной мощности:

В режиме перегрузки выходной КУМ возрастает и может достигать при коротком замыкании одного либо нескольких каналов значений

Соответственно без принятия дополнительных мер защиты ток короткого замыкания по первичной обмотке многократно (более чем в 10 раз) превысит амплитуду номинального тока первичной обмотки и дополнительно может возрасти в разы (обратно пропорционально коэффициенту трансформации) для вторичной обмотки и выпрямителя закороченного канала. Выделенное обстоятельство приводит в известных устройствах аналогах [2, 3, 5] к аварийной ситуации, которая может быть устранена только экстренным отключением КУМ средствами электронной защиты. В отличие от технических аналогов в устройстве-прототипе реализуется «мягкая» нагрузочная характеристика выходного напряжения, чем достигается устойчивая работа в режиме перегрузки и короткого замыкания. Однако и в этом случае при перегрузке отдельного канала может наблюдаться кратное увеличение выходного тока, так как весь выходной ток первичной обмотки замыкается через вторичную обмотку перегруженного или короткозамкнутого канала. Платой за «мягкую» нагрузочную характеристику в устройстве-прототипе являются значительная зависимость выходных напряжений от изменения нагрузки в номинальных режимах работы и пониженный КПД, особенно при неполной нагрузке ТПН. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что выходной ток КУМ практически не зависит от суммарного тока нагрузки и за счет цепи рекуперации всегда поддерживается на максимальном заданном уровне.

Достоинством предлагаемого многоканального ТПН является возможность ограничения выходного тока каждого канала на заданном уровне, адаптированная к требуемой энергоемкости отдельного канала. Как правило, ограничение выходного тока i-ого канала обеспечивается на уровне i_iM, превышающем номинальный выходной ток i_iM на (15-20)%.

Нормализаторы тока 8.1…8.n выполняются по схеме однотактных ключевых прямоходовых преобразователей с широтно-импульсной модуляцией, установленных в режим стабилизации выходного тока. Нормализаторы тока 8.1…8.n могут быть выполнены по известным правилам и применительно к i-му каналу содержать: однотактный ключевой усилитель 8.i.4, широтно-импульсный модулятор 8.i.2, датчик тока 8.i.3, индуктивный фильтр 8.i.5, а также источник опорного напряжения 8.i.1. Особенностью применения известной схемы однотактного ключевого регулятора в режиме стабилизации тока в составе предлагаемого многоканального ТПН является индивидуальная настройка источников опорного напряжения 8.1.1…8.1.n на стабилизацию выходного тока, соответствующего канала вторичного напряжения U₁…U_n с номинальными токами i_1H…i_nH. Таким образом, применение известного однотактного КУМ по новым правилам индивидуального ограничения выходного тока отдельных каналов многоканального ТПН позволяет в предлагаемом устройстве обеспечить защиту выходного тока отдельных каналов на безопасном уровне при обеспечении устойчивого функционирования других каналов ТПН.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Задающий генератор 1 формирует две противофазные последовательности импульсов V₁, V₂ (фиг. 4) с временными интервалами τ≤0,1 мкс, соответствующие низкому потенциалу сигналов, поступающих на управление транзисторами ключевого усилителя мощности 2. В результате на выходах КУМ2 формируется симметричное импульсное напряжение V, амплитуда которого Е определяется напряжением Е₀ электропитания КУМ2. При включении электропитания обеспечивается плавное нарастание величины Е₀ и соответственно амплитуды напряжения V, в результате чего достигается заряд емкостных фильтров 7.1…7.n через трансформатор 5 с вторичными обмотками 5.1…5.n и выпрямители 6.1…6.n до номинальных напряжений U₁…U_n, заданных соответствующими коэффициентами трансформации (5). Время плавного включения должно превышать временной интервал, необходимый для заряда суммарной емкости фильтров 7.1…7.n, приведенной к первичной обмотке при максимальной амплитуде выходного тока КУМ2 i_1M не более номинального значения (11) емкостных фильтров 7.1…7.n с емкостью i-ого канала c_i, приведенных к первичной обмотке трансформатора 5:

где - суммарная емкость.

При таком режиме включения в предлагаемом устройстве не требуется дополнительной централизованной защиты КУМ от режима токовой перегрузки.

Далее в установившемся режиме работы к резонансному контуру, содержащему элементы 3, 4, на каждом полупериоде переключения прикладывается напряжение Δе, величина которого согласно (6) зависит от выходной мощности устройства. С уменьшением выходной мощности пропорционально уменьшается значение Δе и соответственно уменьшается амплитуда тока квазирезонансного контура i_L (фиг. 4), достигая своего номинального значения i_m при номинальной выходной мощности.

где Δe_H - разница между амплитудами выходного напряжения КУМ и амплитудой напряжения на первичной обмотки трансформатора в номинальном режиме работы.

Параметры резонансного контура в предлагаемом устройстве устанавливаются из обеспечения относительной величины Δe_H/Е не более 5%. Возбуждение тока в резонансном контуре происходит от приведенного генератора напряжения весьма малой величины, каждый цикл которого начинается с нулевых начальных условий. В результате в элементах резонансного контура протекает квазигармонический ток i_L (фиг. 4), который замыкается через вторичные обмотки 5.1…5п трансформатора 5 и выпрямители 6.1…6п в емкостные фильтры 7.1…7п. В свою очередь постоянное напряжение емкостных фильтров 7.1…7п поступает через открытые ключи ключевых нормализаторов тока 8.1…8п и через шины n вторичных напряжений U₁…U_n в раздельные нагрузки каналов.

Выходная энергия КУМ2, за вычетом весьма малых потерь в элементах 3, 4 резонансного контура, обмотках трансформатора 5, выпрямителей 6.1…6п и ключевых нормализаторов тока 8.1…8п, полностью замыкается в нагрузку каналов ТПН. При этом суммарные относительные потери мощности, как правило не превышающие 3-4%, могут быть еще уменьшены за счет использования синхронных выпрямителей, выполненных на сильноточных полевых транзисторах. В результате КПД предлагаемых многоканальных ТПН в номинальном режиме достигает 97-98%.

Достоинством предлагаемого устройства является сохранение высокого КПД при уменьшении выходной мощности в пределах от 0,1 до 1,0 P_H; что определяется пропорциональным уменьшением выходного тока КУМ при соответствующем уменьшении значения Δе.

При этом выходной ток КУМ сохраняет квазигармонический характер с переключением по нулю тока и напряжения, что дополнительно улучшает показатели электромагнитной совместимости предлагаемого устройства по сравнению с известными ключевыми преобразователями в режимах трансформатора постоянного напряжения.

В случае перегрузки одного либо группы каналов в предлагаемом ТПН соответствующие ключевые нормализаторы тока переходят в режим импульсного ограничения выходного тока на уровне (1.1.-1.2) от номинального значения выходного тока канала. В этом режиме выходной ток КУМ даже в случае перегрузки всех каналов не превышает значения 1,2 от амплитуды тока в номинальном режиме. При этом потери энергии возрастают не более чем в два раза по сравнению с номинальным режимом, что является допустимым с учетом кратковременного характера режима перегрузки, как в случае импульсной емкостной нагрузки, так и в случае аварийного режима короткого замыкания.

Преимуществом предлагаемого устройства является индивидуальная настройка ограничения выходного тока отдельных каналов, что обеспечивает их безопасную работу при выходном токе не более 1.2 от номинального выходного тока каждого канала. При этом сохраняется номинальная работа остальных каналов ТПН.

Выделенные преимущества предлагаемого устройства позволяют значительно улучшить характеристики многоканального ТПН по сравнению с аналогичными техническими известными техническими решениями, в том числе с устройством-прототипом:

Во-первых - не менее чем в два раза уменьшить потери энергии особенно в условиях уменьшения выходной мощности при достижении КПД 96-98%.

Во-вторых - значительно повысить стабильность нагрузочных характеристик каналов выходных напряжений при уменьшении изменения уровня вторичных напряжений до 5-6% в условиях уменьшения нагрузок более чем на 20 дБ.

В-третьих - обеспечить индивидуальную защиту каналов от режимов перегрузки при превышении выходного тока, в том числе и в режиме короткого замыкания, не более чем на 20% в условиях нормального функционирования остальных каналов.

В-четвертых - существенно улучшить показатели электромагнитной совместимости в условиях значительного уменьшения динамических потерь на переключение при обеспечении коммутации по нулю напряжения и тока, по сравнению с прототипом высокочастотные помехи в шинах выходных напряжений уменьшены более чем в 1,5 раза при двукратном уменьшении динамических потерь на переключение.

Совокупность преимуществ заявленного устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить в многоканальные тракты электропитания с улучшенными энергетическими характеристиками и показателями электромагнитной совместимости, при расширении функциональных возможностей и области применения. В настоящее время разработан опытный образец многоканального трансформатора напряжения на основе заявляемого устройства. Опытный образец многоканального трансформатора постоянного напряжения с суммарной номинальной мощностью до 5 кВт обеспечивает КПД 94-97% при нестабильности выходных напряжений не более 5%, в том числе при изменении нагрузки отдельных каналов в 3-5 раз. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявленного технического решения, что обосновывает перспективы его внедрения.

Источники информации

1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005, 602 с.

2. Патент РФ №2333588. Многоканальный источник питания. Опубликовано 10.09.2008.

3. Патент США №2011182087. Method and apparatus for power converter for class D audio power amplifiers. 2011. Опубликовано 28.07.2011.

4. Патент РФ №2267218. Трансформатор постоянного напряжения. Опубликовано 27.12.2005.

5. Патент РФ №2447571. Преобразователь. Опубликовано 27.12.2012.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к многоканальным преобразователям систем вторичного электропитания с трансформаторами постоянного напряжения (ТПН). Многоканальный ТПН содержит задающий генератор с парафазным выходом, двухтактный ключевой усилитель (КУМ), последовательный резонансный контур из конденсатора и дросселя, ТПН с n вторичными обмотками, n выпрямителями, n емкостными фильтрами и n ключевыми нормализаторами тока (КТН) с индивидуальной настройкой порога стабилизации выходного тока. Каждый КТН выполняется на основе однотактного последовательного ключевого усилителя, широтно-импульсного модулятора, источника опорного напряжения, индуктивного фильтра и датчика тока. Резонансная частота выбирается равной частоте переключений КУМ, параметры резонансных элементов выбираются на номинальную выходную мощность ТПН, а источник опорного напряжения и датчик тока каждого канала настраивают на уровень стабилизации выходного тока 1,2 от номинального тока канала. Техническим результатом является повышение энергетической эффективности, стабильности нагрузочных характеристик каналов вторичных напряжений с индивидуальной защитой каждого канала от перегрузки и расширение области применения. 4 ил.

Многоканальный трансформатор постоянного напряжения, содержащий двухтактный ключевой усилитель мощности, шины электропитания которого присоединены к шинам первичного постоянного напряжения, задающий генератор, прямой и инверсный выходы которого соединены с первым и вторым входом двухтактного ключевого усилителя мощности, резонансный дроссель и резонансный конденсатор, причем выводы n вторичных обмоток трансформатора соединены с входами соответствующих n выпрямителей, выходы которых параллельно соединены, а также n шин выходных напряжений, отличающийся тем, что в его состав введены n ключевых нормализаторов тока, а резонансный конденсатор включен последовательно с резонансным дросселем и первичной обмоткой трансформатора между выходами двухтактного ключевого усилителя мощности, причем между выходом каждого i-того емкостного фильтра и i-той шиной выходного напряжения, где i=1…n, включен соответствующий i-тый ключевой нормализатор тока, содержащий последовательный однотактный ключевой усилитель, индуктивный фильтр, широтно-импульсный модулятор, датчик тока и источник опорного напряжения, причем шины электропитания последовательного однотактного ключевого усилителя подсоединены через датчик тока к выходу соответствующего выпрямителя, выход подключен через индуктивный фильтр к шинам соответствующего выходного напряжения, а вход последовательного однотактного ключевого усилителя соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, первые и вторые входы которого соединены соответственно с выходом источника опорного напряжения и выходом датчика тока.