СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ПОВЫШАЮЩИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВХОДНОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМ ПОВЫШАЮЩИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВХОДНОГО ТОКА Российский патент 2015 года по МПК G05F1/563 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления импульсным многофазным преобразователем постоянного напряжения повышающего типа, и может быть использовано в зарядно-разрядных устройствах, в устройствах имитации аккумуляторной батареи, имитации нагрузки, используемых для испытаний систем электроснабжения, а также в других устройствах, где требуется получать стабилизированный ток и постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения в широких пределах.

Известен способ управления импульсным стабилизатором напряжения (тока), предполагающий применение контура регулирования, исполнительным элементом в котором является электронный ключ, управляемый с помощью сигналов, полученных методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а также устройство, построенное на этом принципе. При изменении стабилизируемого напряжения или тока с помощью обратной связи и ШИМ получают управляющий сигнал, у которого длительность импульсов на фиксированной частоте изменяется таким образом, что напряжение или ток остаются стабильными с определенной степенью точности (Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др. Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986. - 576 с. (с. 32, рис. 1.10).

Недостатком этого способа управления является небольшой диапазон входных напряжений, при которых может стабилизироваться напряжение или ток. Для построения широкодиапазонных многофазных систем на основе повышающего преобразователя со стабилизацией входного тока и со стабильным выходным напряжением необходима синхронизация ШИМ-контроллеров каждой из фаз внешним импульсом синхронизации длительностью 1,5 мкс. Особенностью применения ШИМ-контроллеров серии UCx846 является то, что длительность бестоковой паузы, формируемой в нем, определяется длительностью импульса синхронизации. Со снижением входного напряжения относительная длительность импульсов управления γ, определяемая как $$\gamma =\left(1-\frac{U_{вх}}{U_{вых}}\right)$$ , стремится к 1. На частоте синхронизации 50 кГц при длительности синхроимпульса 1,5 мкс невозможно обеспечить γ больше чем 0,925. Для выходного напряжения U_вых=180 B минимальное значение напряжения U_вx при максимальном γ U_вх=(1-γ)U_вых=(1-0,925)·180 В=13,5 В.

Известны способы управления преобразователями, в которых ШИМ работает с переменной частотой, зависящей от различных условий работы, например, в устройстве по патенту США №5675479 достигают повышения эффективности работы преобразователя при низких нагрузках путем уменьшения частоты ШИМ, при высоких нагрузках, наоборот, частоту ШИМ повышают. Известен также патент США №5390101, в котором с помощью управляемого напряжением генератора увеличивают частоту ШИМ при увеличении нагрузки. Все эти примеры относятся к повышению эффективности работы преобразователей с ШИМ на части нагрузочной кривой, где существенная мощность потребляется от преобразователя и диапазон частот, на котором они работают, относительно узок, а также узок диапазон входных напряжений, при котором возможно обеспечить стабилизацию тока или напряжения (минимальная величина входного напряжения, указанная, например, в патенте США №5390101, составляет 90 В). Тем не менее, в разрядных устройствах, а также в устройствах имитации аккумуляторной батареи, используемых, например, для наземных испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, часто возникает потребность в работе преобразователя при сравнительно низких входных напряжениях (от 5 В), при неизменных уровнях выходного напряжения, например, в 180 В, при этом обеспечивая стабилизацию входного тока. В связи с этим задачей изобретения является расширение диапазона входных напряжений в сторону низких значений, обеспечивая при этом стабилизацию входного тока с помощью простой и недорогой схемы.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления многофазным повышающим преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией входного тока, основанном на широтно-импульсной модуляции сигналов управления, так же, как и в прототипе, формируют методом широтно-импульсной модуляции управляющие сигналы для высокочастотных ключей каждой фазы, для чего текущие значения сигналов обратной связи по току в каждой фазе сравнивают с их опорными значениями, на основании результатов сравнения вырабатывают сигналы рассогласования, с помощью сигналов рассогласования формируют ШИМ-сигналы с фиксированной частотой. В отличие от прототипа в способе управления в каждой фазе дополнительно сравнивают с пороговой величиной сигналы входного напряжения и, когда входное напряжение имеет величину ниже установленного порогового уровня, формируют второй ШИМ-сигнал, частота которого ниже частоты первого ШИМ-сигнала не менее чем в 4 раза, и указанный второй ШИМ-сигнал используют для управления ключами соответствующей фазы преобразователя, пока величина входного напряжения не превысит установленный пороговый уровень.

Устройство управления многофазным повышающим преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией входного тока в каждой фазе содержит датчик входного тока, схему сравнения сигналов датчика тока с опорным сигналом и ШИМ-контроллер, на вход которого поступают сигналы рассогласования по току, выходы которого соединены с драйверами ключей каждой фазы преобразователя. В отличие от прототипа устройство дополнительно содержит компаратор напряжения, сравнивающий входное напряжение с пороговым уровнем, второй ШИМ-контроллер, работающий с частотой не менее чем в 4 раза ниже частоты первого ШИМ-контроллера, и устройство выборки, соединенное с компаратором напряжения и подключающее первый или второй ШИМ-контроллеры к драйверам ключей каждой фазы преобразователя в зависимости от сигнала компаратора напряжения.

При переключении на более низкую частоту можно расширить диапазон входного напряжения с поддержанием необходимой длительности импульса синхронизации для многофазных систем. Например, при частоте синхронизации первого ШИМ-контроллера 50 кГц уменьшение частоты синхронизации второго ШИМ-контроллера до 10 кГц позволяет достичь максимального значения γ, равного 0,985, при котором минимально возможное входное напряжения U_вx=2,7 В при выходном напряжении в 180 В.

В каждом случае кратность снижения частоты определяется исходя из величины минимального входного напряжения при заданной величине входного напряжения. Для нормальной работы преобразователя важно, чтобы на заданной частоте при максимальной γ время бестоковой паузы составляло не менее 1,5 мкс. При этом большая разница между частотами первого и второго ШИМ-контроллеров может привести к увеличению амплитуды пульсации в дросселе. При частоте второго ШИМ в 2-3 раза ниже частоты первого ШИМ невозможно достичь необходимого нижнего порога входного напряжения, обеспечивая необходимую величину бестоковой паузы.

Далее сущность заявленного изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором схематически представлена схема управления для одной из фаз 1 многофазного повышающего преобразователя со стабилизацией тока в соответствии с заявляемым изобретением, каждая из фаз которого сдвинута по управлению на 360/m эл. градусов относительно друг друга, где m - число фаз. Устройство управления повышающим преобразователем в каждой фазе содержит датчик тока 2, ячейку повышающего преобразователя 3, общий для всех фаз выходной фильтр 4, первый ШИМ-контроллер (высокой частоты) 5, второй ШИМ-контроллер 6 (пониженной частоты), устройство выборки 7 и компаратор напряжения 8, сравнивающий величину входного напряжения с пороговым уровнем. Выходы датчика тока соединены с первым и вторым ШИМ-контроллерами. Каждый из ШИМ-контроллеров 5 и 6 содержит в себе устройство сравнения текущих значений тока с опорным значением, обозначенным на чертеже как Уст. I. Устройство выборки 7 соединено с устройством сравнения 8 и с выходами первого и второго ШИМ-контроллеров 5 и 6. С выхода устройства выборки 7 сигналы управления, соответствующие первому или второму ШИМ-контроллеру, поступают на ключи повышающего преобразователя 3.

При работе повышающий преобразователь 3 начинает выполнять преобразование входного постоянного напряжения со стабилизацией входного тока, например, с целью разряда аккумуляторной батареи, которое через фильтр 4 подается к дальнейшей схеме разрядного устройства. При этом сигналы текущих значений входного тока с датчика тока 2 поступают в ШИМ-контроллер 5 или 6, где сравниваются с поступающим опорным значением тока Уст. I. В составе каждого ШИМ-контроллера 5 или 6 при этом работает внутренний генератор пилообразного напряжения, синхронизируемый внешним импульсом синхронизации. Пока величина входного напряжения остается в диапазоне (15-180) В, с выхода схемы сравнения 8 приходит сигнал на подключение первого ШИМ-контроллера 5, по которому ШИМ-контроллер 5 выдает высокочастотные импульсы с частотой 50 кГц, формируя при этом сигналы управления силовыми ключами преобразователя 3. Формирование ШИМ-сигнала происходит с коэффициентом заполнения γ, определяемым по формуле:

$$\gamma =\left(1-\frac{U_{вх}}{U_{вых}}\right)$$ .

Если величина входного напряжения составляет, например, 5 В, а выходного - 180 В, то $$\gamma =\left(1-\frac{5}{180}\right)$$ , составляет 0,972, т.е. стремится к 1, и на данной частоте невозможно обеспечить необходимую длительность бестоковой паузы из-за наличия необходимого импульса синхронизации ШИМ-контроллеров каждой из фаз. Т.е. при частоте ШИМ, равной 50 кГц, диапазон регулирования входного тока, например зарядно-разрядного устройства, при малых входных напряжениях ограничен длительностью импульса синхронизации. Поэтому расширение диапазона входных напряжений разрядного устройства обеспечивается при низких входных напряжениях от (5-15) В переходом к пониженной частоте работы ШИМ-контроллера, в приведенном примере, от 50 кГц к 10 кГц. Когда входное напряжение имеет величину в диапазоне от 5 В до 15 В, со схемы сравнения 8 приходит сигнал на устройство выборки 7 на переключение ко второму ШИМ-контроллеру 6, при этом его внутренний генератор пилообразного напряжения генерирует импульсы с пониженной в 5 раз частотой, формируя импульсы управления с увеличенной паузой между импульсами.

С уменьшением входного напряжения и переходом на более низкую частоту работы темп нарастания тока в дросселе повышающего преобразователя, определяемый формулой $$\frac{\Delta I}{\Delta t}=\frac{U_{вх}}{L}$$ , уменьшается, время открытого состояния ключа повышающего преобразователя Δt увеличивается при уменьшении γ, а амплитуда пульсаций тока в дросселе ΔI не превышает ее максимального значения на высокой частоте (при γ=0,5) из-за меньшей скорости нарастания тока в дросселе.

Понижение частоты ШИМ-сигнала с 50 кГц до 10 кГц в диапазоне входных напряжений от 5 В до 15 В позволило расширить диапазон входных напряжений повышающего преобразователя, при которых происходит стабилизация входного тока без увеличения пульсации при необходимом выходном напряжении.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления импульсным многофазным преобразователем постоянного напряжения повышающего типа, и может быть использовано в зарядно-разрядных устройствах, в устройствах имитации аккумуляторной батареи, имитации нагрузки, используемых для испытаний систем электроснабжения, а также в других устройствах, где требуется получать стабилизированный ток и постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения в широких пределах. Технический результат - расширение диапазона входных напряжений в сторону низких значений, обеспечивая при этом стабилизацию входного тока, с помощью простой и недорогой схемы. Способ управления многофазным повышающим преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией входного тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигналов управления, заключается в том, что формируют методом широтно-импульсной модуляции управляющие сигналы для высокочастотных ключей каждой фазы преобразователя, для чего текущие значения сигналов обратной связи по току в каждой фазе сравнивают с их опорными значениями, на основании результатов сравнения вырабатывают сигналы рассогласования, с помощью сигналов рассогласования формируют ШИМ сигналы с фиксированной частотой. При этом в каждой фазе дополнительно сравнивают с пороговой величиной сигналы входного напряжения и, когда входное напряжение имеет величину ниже установленного порогового уровня, с помощью сигнала рассогласования по входному напряжению формируют второй ШИМ-сигнал, частота которого не менее чем в 4 раза ниже частоты первого ШИМ-сигнала, и указанный второй ШИМ-сигнал используют для управления ключами соответствующей фазы преобразователя, пока величина входного напряжения не превысит установленный пороговый уровень. Устройство управления многофазным повышающим преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией входного тока в каждой фазе содержит датчик входного тока, схему сравнения сигналов датчика тока с опорным сигналом и ШИМ-контроллер, на вход которого поступают сигналы рассогласования по току, выходы которого соединены с драйверами ключей каждой фазы преобразователя. Устройство дополнительно содержит в каждой фазе компаратор напряжения, сравнивающий входное напряжение с пороговым уровнем, второй ШИМ-контроллер, работающий с частотой не менее чем в 4 раза ниже частоты первого ШИМ-контроллера, и устройство выборки, соединенное с компаратором напряжения, и подключающее первый или второй ШИМ-контроллер к драйверам ключей соответствующей фазы преобразователя в зависимости от сигнала компаратора напряжения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления многофазным повышающим преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией входного тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигналов управления, в котором формируют методом широтно-импульсной модуляции управляющие сигналы для высокочастотных ключей каждой фазы, для чего текущие значения сигналов обратной связи по току сравнивают с их опорными значениями, на основании результатов сравнения вырабатывают сигналы рассогласования, с помощью сигналов рассогласования формируют ШИМ-сигналы с фиксированной частотой, отличающийся тем, что дополнительно сравнивают с пороговой величиной сигналы входного напряжения и, когда входное напряжение имеет величину ниже установленного порогового уровня, с помощью сигнала сравнения по входному напряжению в каждой фазе формируют второй ШИМ-сигнал, частота которого ниже частоты первого ШИМ-сигнала не менее чем в 4 раза, и указанный второй ШИМ-сигнал используют для управления ключами соответствующей фазы преобразователя, пока величина входного напряжения не превысит установленный пороговый уровень.

2. Устройство управления многофазным повышающим преобразователем со стабилизацией входного тока, содержащее в каждой фазе датчик входного тока, схему сравнения сигналов датчика тока с опорным сигналом и ШИМ-контроллер, на вход которого поступают сигналы рассогласования по току, выходы которого соединены с драйверами ключей соответствующей фазы преобразователя, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит компаратор напряжения, сравнивающий входное напряжение с пороговым уровнем, а в каждой фазе - второй ШИМ-контроллер, работающий с частотой не менее чем в 4 раза ниже частоты первого ШИМ-контроллера, и устройство выборки, соединенное с компаратором напряжения и подключающее первый или второй ШИМ-контроллер к драйверам ключей соответствующей фазы преобразователя в зависимости от сигнала компаратора напряжения.