СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G05F1/56 G05F5/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления импульсными преобразователями постоянного напряжения.

Известен способ управления импульсным стабилизатором постоянного напряжения, заключающийся в том, что сравнивают текущее значение стабилизируемого напряжения с постоянным опорным напряжением, на основе усиленного сигнала ошибки формируют сигнал управления регулирующим элементом (силовыми ключами) [1, 2].

Импульсные преобразователи, управляемые таким способом, характеризуются хорошими статическими и динамическими характеристиками, однако при работе от источников питания ограниченной мощности имеют в некоторых эксплуатационных режимах ряд недостатков - низкую энергетическую эффективность и недостаточную функциональную надежность.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения, реализующего известный способ управления, приведена на фиг.1, где:

1 - источник питания ограниченной мощности (ИП);

2 - регулирующий элемент (РЭ);

3, 4 - входной (Ф_вх) и выходной (Ф_вых) фильтры;

5 - нагрузка (Н);

6 - усилитель сигнала ошибки по выходному напряжению (УО);

7 - источник опорного напряжения (ИОН);

8 - формирователь сигнала управления (ФСУ).

Вольтамперная и вольтваттная характеристики (ВАХ ИП и ВВХ ИП), поясняющие функциональные особенности известного способа управления при работе от источника ограниченной мощности, приведены на фиг.2.

ВАХ ИП ограниченной мощности на фиг.2 в качестве примера представлена прямой линией.

Поясним функционирование на примере наиболее распространенного понижающего типа преобразователя.

При штатном функционировании рабочая точка «Е» находится на кривой АВ ВВХ ИП. При этом выходное напряжение стабилизатора определяется значением входного U_вх напряжения и относительной длительностью открытого состояния силовых ключей РЭ К_з

.

Для наиболее распространенного стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа с широтноимпульсной модуляцией ШИМ

.

;

;

где U_он - напряжение ИОН 7;

U_н - выходное напряжение преобразователя;

U_пил - амплитуда пилообразного напряжения ШИМ;

К₀ - коэффициент усиления УО 6;

(U_он-U_н)К₀ - напряжение сигнала ошибки.

При увеличении нагрузки рабочая точка на ВВХ ИП смещается в направлении к точке «А».

Максимальная мощность от ИП и стабилизатора отдается в нагрузку в точке «А» ВВХ ИП.

В случае увеличения нагрузки выше Р_макс (или при снижении мощности, генерируемой ИП) рабочая точка переходит на ветвь OA. Для понижающего типа преобразователей этот режим характеризуется значениями K_з=1; U_н=U_вх.

Мощность, отдаваемая ИП и преобразователем в нагрузку, снижается. Таким образом, в этом режиме работы энергетическая эффективность стабилизатора снижается.

Рассмотрим режим включения стабилизатора в работу от ИП ограниченной мощности.

При включении начинается заряд входного фильтра стабилизатора от ИП. Ток заряда ограничен выходным сопротивлением ИП. Напряжение на входе стабилизатора постепенно повышается. Рабочая точка на ВВХ ИП движется от точки «О» к точке «А». При некотором значении U_вх включается питание устройств управления стабилизатора (УО, ИОН, ФСУ), а поскольку силовые ключи РЭ 2 пока еще закрыты, выходное напряжение U_н равно нулю. Напряжение сигнала ошибки максимально, коэффициент заполнения может стать максимальным, равным 1. Силовые ключи полностью раскроются.

Если до этого момента рабочая точка не перешла точку «А» на ВВХ ИП, стабилизатор может не перейти в рабочую точку «Е», а «застрять» в точке «Е′» ВВХ ИП.

Для понижающего преобразователя это соответствует К_з=1, силовые ключи РЭ открыты полностью, U_н=U_вх.

Таким образом, стабилизатор имеет недостаточную функциональную надежность при включении в работу от источника ограниченной мощности.

Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности и функциональной надежности импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе управления импульсным стабилизатором постоянного напряжения, заключающемся в том, что измеряют текущее значение стабилизируемого напряжения, сравнивают измеренное значение с постоянным опорным напряжением, на основе полученного сигнала ошибки формируют сигнал управления регулирующим элементом импульсного стабилизатора, дополнительно измеряют текущее значение входного напряжения стабилизатора, сравнивают его с заданным значением, и, в случае снижения входного напряжения стабилизатора ниже заданного значения, суммируют полученный сигнал рассогласования с сигналом ошибки, обеспечивая снижение выходного напряжения стабилизатора.

Пример функциональной схемы преобразователя, в котором реализуется предлагаемый способ управления, приведен в фиг.3.

В данном преобразователе вновь введены усилитель сигнала рассогласования (УР) 9, источник заданного напряжения (ИЗН) 10, нелинейный элемент однонаправленного действия 11 и сумматор 12.

На фиг.4 представлена ВВХ ИП, поясняющая предлагаемый способ управления.

УР 9 сравнивает измеренное текущее значение входного напряжения преобразователя U_вх с напряжением U_зн, задаваемым источником ИЗН.

Напряжение сигнала рассогласования

где К_р - коэффициент усиления УР, поступает на нелинейный элемент 11. Нелинейный элемент однонаправленного действия 11 (в простейшем случае - диод) пропускает сигнал рассогласования на вход сумматора 12 только в случае, если измеренное значение входного напряжения стабилизатора U_вх меньше заданного значения напряжения U_зн. В этом случае напряжение сигнала рассогласования суммируется с сигналом ошибки по выходному напряжению, уменьшая длительность открытого состояния силовых ключей РЭ.

При снижении входного напряжения U_вх ниже заданного U_зн на величину ΔU_р, определяемую значениями К₀ и К_р, сигнал рассогласования может полностью закрыть силовые ключи РЭ независимо от величины сигнала ошибки.

При штатной работе преобразователя рабочая точка находится на отрезке АВ ВВХ ИП.

Выходное напряжение стабилизируется на уровне, задаваемом источником опорного напряжения U_ИОН 6, за счет работы силовых ключей РЭ2 со скважностью, формируемой ФСУ 8, в соответствии с сигналом ошибки на выходе УО 6. При U_вх>U_ИЗН U_p нелинейный элемент 11 не пропускает сигнал рассогласования на вход сумматора 12, и этот сигнал не влияет на скважность работы силовых ключей РЭ2.

При увеличении мощности нагрузки или снижении мощности, генерируемой ИП, рабочая точка «Е» смещается в направлении точки «А^′».

При U_вх<U_ЗН сигнал рассогласования меняет знак и, проходя через нелинейный элемент 11, поступает на сумматор 12, где суммируется с сигналом ошибки, уменьшая длительность открытого состояния силовых ключей РЭ

Стабилизация выходного напряжения нарушается. Выходное напряжение преобразователя снижается.

За счет работы силовых ключей с коэффициентом заполнения, определяемым формулой (3), рабочая точка находится на отрезке АА′, входное напряжение в диапазоне U_зн÷U_зн-ΔU_p. Рабочая точка на ветвь OA ВВХ ИП не переходит, силовые ключи РЭ полностью не раскрываются. Преобразователь потребляет от ИП максимально возможную мощность. Данный режим очень полезен при эксплуатации преобразователя в системе электропитания при одновременной работе ИП ограниченной мощности с буферным источником питания в пиковых режимах.

При включении преобразователя начинается заряд входного фильтра стабилизатора от ИП. Ток заряда ограничен выходным сопротивлением ИП. Напряжение на входе стабилизатора постепенно повышается. Рабочая точка на ВВХ ИП движется от точки «О» к точке «А». При некотором значении U_вх включается питание устройств управления стабилизатора (УО, ИОН, ФСУ), а поскольку силовые ключи РЭ2 пока еще закрыты, выходное напряжение U_н равно нулю. Напряжение сигнала ошибки максимально. Однако, поскольку при этом входное напряжение преобразователя ниже заданного значения (U_вх<U_зн), сигнал рассогласования суммируется с сигналом ошибки и обеспечивает закрытое состояние силовых ключей РЭ2 до момента перехода рабочей точки через точку «А» максимальной мощности ИП.

Преобразователь не «застревает»в точке «E′», а гарантированно переходит в номинальный рабочий режим (точка «Е»).

Таким образом, предлагаемый способ управления обеспечивает повышенную энергетическую эффективность и функциональную надежность по сравнению с известным.

Литература

1. Хусаинов Ч.И. Высокочастотные импульсные стабилизаторы постоянного напряжения. М.: Энергия, 1980.

2. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. М.: Радио и связь, 1992.

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к силовой электронике, и может быть использовано для управления импульсными полупроводниковыми преобразователями постоянного напряжения. Способ обеспечивает повышение энергетической эффективности и функциональной надежности импульсного преобразователя постоянного напряжения. Для управления импульсным преобразователем постоянного напряжения измеряют текущее значение стабилизируемого напряжения, сравнивают измеренное значение с постоянным опорным напряжением, на основе полученного сигнала ошибки формируют сигнал управления регулирующим элементом импульсного стабилизатора. Кроме того, дополнительно измеряют текущее значение входного напряжения стабилизатора, сравнивают его с заданным значением, и, в случае снижения входного напряжения стабилизатора ниже заданного значения, суммируют полученный сигнал рассогласования с сигналом ошибки, обеспечивая снижение выходного напряжения стабилизатора. 4 ил.

Способ управления импульсным стабилизатором постоянного напряжения, заключающийся в том, что измеряют текущее значение стабилизируемого напряжения, сравнивают измеренное значение с постоянным опорным напряжением, на основе полученного сигнала ошибки формируют сигнал управления регулирующим элементом импульсного стабилизатора, отличающийся тем, что дополнительно измеряют текущее значение входного напряжения стабилизатора, сравнивают его с заданным значением, и, в случае снижения входного напряжения стабилизатора ниже заданного значения, суммируют полученный сигнал рассогласования с сигналом ошибки, обеспечивая снижение выходного напряжения стабилизатора.