Отказоустойчивая система электропитания с возможностью гибкой настройки параметров Российский патент 2021 года по МПК H02J1/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока (DC-DC) с параллельной архитектурой, представляет собой систему электропитания из нескольких параллельно работающих на общую динамически изменяемую нагрузку (или несколько нагрузок) ячеек и может быть использовано для бесперебойного обеспечения потребителей стабилизированным напряжением. Повышенная надежность, свойство самовосстановления после коротких замыканий в ячейках, гибко настраиваемые структура подключений и возможность задания параметров режима работы позволяют использовать систему в объектах космического, военного и промышленного назначения.

В качестве прототипа взята Интеллектуальная система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки [1. Патент RU 2692089, патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU), опубл. 21.06.2019, бюл. № 18], имеющая резервированную параллельную архитектуру и обладающая широкими функциональными возможностями: стабилизация выходного напряжения, равномерное распределение нагрузки между параллельно включенными преобразователями, защита от перегрузок, токов коротких замыканий, перегрева и возгорания, локальное и дистанционное управление. Модули преобразователей напряжения оснащаются коммутационными аппаратами на входе и выходе, отключаемыми системой управления по сигналам защит от токов перегрузки, короткого замыкания и перегрева.

Недостатком данной системы является наличие распределительных диодов, применяемых для выравнивания токов преобразователей и защиты внешних элементов от короткого замыкания в отдельном модуле. Данный подход приводит к дополнительным потерям мощности в виде тепла на распределительных диодах [2. Application note 3, rev. A. Parallel operation of DC power modules, Wall Industries, inc. 2016, 3. Патент RU 2525232, патентообладатели Гончаров А. Ю. (CZ), Гончаров М. Ю. (RU), опубл. 27.10.2013, бюл. № 30] и ухудшает КПД преобразования. Другим недостатком системы является возможная уязвимость в момент запуска, когда по причине заряда ёмкостных накопителей преобразователей может возникнуть значительный пусковой ток, создающий электромагнитные помехи в прилегающих схемах и способный приводить в действие цепи защиты. С целью его уменьшения применяемые в рамках данной системы модули должны обладать соответствующими инженерными решениями как, например, в преобразователе напряжения [4. Патент RU 99254, патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU), опубл. 10.11.2010], где введенная в схему управления цепь плавного запуска ШИМ-контроллера с конденсатором разряда обеспечивает минимальную длительность импульсов управления силовыми ключами в момент запуска устройства, или в преобразователе [5. Патент RU 2396684, патентообладатель Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" (RU), опубл. 10.08.2010], где во входную цепь преобразователя добавлен электронный ограничитель тока, открытие силового ключа которого происходит с задержкой, задаваемой внутренней RC-цепочкой ограничителя; либо оснащаться дополнительными устройствами ограничения тока, такими как [6. Патент RU 182804, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Александер Электрик источники электропитания" (RU), опубл. 04.09.2018], где напряжение с резистивного датчика тока определяет степень открытия ключа в силовой цепи схемы, или [7. Патент RU 144731, патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "АЕДОН" (RU), опубл. 27.08.2014], где мощность пускового тока расходуется на тепловыделение в резисторе входной цепи. Дополнительные требования к модулям питания по ограничению пускового тока снижают их универсальность и взаимозаменяемость. Третьим недостатком системы является дискретность рабочих состояний модулей (работает/отключен), обеспечиваемая коммутационными аппаратами системы. Данный подход сужает возможности самовосстановления системы. Внезапное возникновении дестабилизирующего фактора (например, короткого замыкания) приводит к срабатыванию защитных цепей и размыканию соответствующего коммутационного аппарата неисправного модуля, однако при исчезновении данного фактора самостоятельного гарантированно безопасного возобновления работы модуля не предусмотрено. Замыкание коммутационного аппарата и введение модуля обратно в работу происходит без уверенности в возобновлении его работоспособности, гарантировать которую может лишь полная его замена.

В предлагаемом изобретении вводятся дополнительные требования для входных и выходных ключей («коммутационных аппаратов» в прототипе), а в качестве «силовой части модулей преобразователя» из устройства-прототипа допускается использовать готовые покупные серийно выпускаемые модули питания с гальванической развязкой между входом и выходом наподобие [8. Справочные материалы «DC/DC преобразователи серии МИРАЖ МДМ7,5-П, МДМ10-П», Группа компаний Александер Электрик, 2011 г.], либо модули собственного производства. Основная идея изобретения – повышение качества работы системы электропитания введением дополнительных свойств ключей и совершенствованием принципа группировки и настройки ячеек при одновременном снижении требований к модулям питания, сохранении архитектуры всей системы и минимизации числа используемых в ней элементов. С помощью ключей можно отдельно настраивать токовые защиты, выполнять защиту от превышения входного напряжения МП и регулировку его выходного напряжения, диагностировать состояние отдельных частей системы, обеспечивать защиту от перегрева, группировать ячейки, изменять структуру подключений МП и потребителей, аварийно отключать «сгоревшие» модули и часть нагрузок, ограничивать ток заряда ёмкостных накопителей и, таким образом, уйти от необходимости учитывать величину их ёмкости для нормального функционирования системы. С помощью ключей можно реализовать двойную токовую защиту (фиг. 3), отличительным свойством которой являются два разных режима ограничения тока: штатный режим с защитой от превышения заданного уровня срабатывания по току и ограниченный режим со значительно уменьшенным неизменным током, переход к которому осуществляется в момент запуска системы электропитания, либо при длительном срабатывании защиты от превышения заданного уровня тока. Такое свойство позволяет преодолеть проблему ограничения пускового тока и одновременно реализовать принцип самовосстановления системы после неисправностей работы части её ячеек, который, помимо дублирования ячеек и работе с запасом по мощности, заключается в самостоятельном, не связанном с остальными узлами и блоками устройства, переходе неисправных ячеек с коротким замыканием в ограниченный режим работы с крайне низким энергопотреблением и таким же самостоятельным восстановлением штатного режима их работы в случае сохранности элементов схемы сразу же после исчезновения дестабилизирующих факторов. Недостаток такой системы защиты – более длительное время срабатывания, прежде чем значение тока уменьшится до уровня режима ограничения, однако по сравнению с другими видами [9. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер с англ. – К. «МК-Пресс», 2007, с. 101–102, 10. Datasheet «TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751», Texas Instruments Inc. – October 2013, revised December 2018] защит (пунктирная линия на фиг. 3) такая постановка вопроса к работе защиты выгодно отличается своим энергопотреблением.

Последовательно соединенные входной ключ, модуль питания и выходной ключ составляют одну ячейку преобразования. Параллельно работающие ячейки образуют единый самовосстанавливающийся модуль питания (СМП), который при неисправности отдельных ячеек будет продолжать функционировать в штатном режиме. При этом параметры данного режима работы можно настроить в зависимости от нужд потребителей. Для реализации заявленных целей в СМП применяется трехуровневая система управления, что в совокупности с вышеперечисленными качествами позволяет системе электропитания обеспечить условия адаптивности, надежности и саморегулирования.

При достаточном уровне микроминиатюризации всю систему (СМП) можно разместить в одном корпусе, что позволит избежать перегрева отдельных частей СМП за счет равномерного отвода тепла от основания конструкции.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности электропитания с сохранением выходной мощности источника, возможностью гибкого изменения структуры подключения потребителей и параметров функционирования ячеек (выходного напряжения и уровней срабатывания схем защит), равномерностью распределения мощности между ячейками в различных режимах работы.

Для достижения этого результата предлагаемый источник питания (СМП) 27 состоит из N включенных параллельно ячеек 28, часть из которых подключена к нагрузкам 31, 32, другая остается в резерве, и системы управления 24…26, связанных между собой каналами управления 1…18. Среди штатно работающих ячеек равномерно распределяется мощность, причем для повышения надёжности источник функционирует на половине предельной мощности, которая может быть передана в нагрузку. При работе на одну нагрузку все включенные ячейки работают параллельно с одинаковым уровнем выходного напряжения, а выбор их количества задается мощностью потребителя, при работе на несколько нагрузок ячейки могут быть произвольным образом сгруппированы. Выходные напряжения для различных потребителей могут отличаться. Мощность каждого канала потребителя определяется параллельным соединением ячеек. Задание уровней выходных напряжений ячеек осуществляется использованием соответствующих модулей питания 20 в их составе (жёстко обеспечивающих требуемый уровень выходного напряжения, либо поддерживающих функцию переключения между уровнями) и настройкой системы управления 24…26.

Для улучшения отказоустойчивости системы и оптимизации структуры питания потребителей предусмотрена возможность введения в СМП дополнительных ячеек для получения структуры N = M(1 + n₁), где M – число работающих ячеек, n₁ ϵ (0…1] – коэффициент дублирования ячеек.

Каждая из ячеек содержит входной ключ 19, модуль питания 20 и выходной ключ 21. Введение дополнительных ключей, структурная схема которых приведена на фиг. 2 и объединяет в себе транзисторный коммутатор 32, 36, токовую защиту 33, 37, контур обратной связи 35, 39 и систему управления 34, 38, позволяет увеличить надежность системы и расширить ее общие функциональные возможности. С помощью ключей решаются следующие задачи:

– переключение (включение/выключение ключей);

– двойная токовая защита:

1) от короткого замыкания и превышения выставленного уровня срабатывания по току;

2) по ограничению тока при запуске СМП, а также при длительном срабатывании защиты от короткого замыкания и превышения тока;

– защита от превышения входного напряжения (регулировка выходного напряжения МП с помощью выходного ключа);

– диагностика состояния отдельных частей системы;

– защита от перегрева.

В качестве МП ячейки допускается использовать готовые покупные серийно выпускаемые модули питания с гальванической развязкой между входом и выходом. При этом необходимо учитывать их жестко заданные параметры выходного напряжения и выходного тока, максимальную мощность, конструкцию, тепловую защиту, диапазон регулирования выходного напряжения. Заслуживает внимания вопрос возникновения биения частот в связи с несовпадением частоты преобразования модулей. Также необходимо учитывать токовые защиты модуля. При неполной загрузке модуля по мощности ограничение тока в системе будет осуществляться на уровне выставленной защиты входного или выходного ключа.

В штатном режиме работы СМП в каждом модуле питания ячеек предусмотрен запас по мощности, что дает возможность её перераспределения и перегруппировку подключений отдельных ячеек с целью обеспечить аварийное исключение неисправных.

Выравнивание мощности по ячейкам СМП осуществляется изменением времени открытого состояния силовых транзисторов МП ячейки, которое регулируется в зависимости от мощности, приходящейся на одну ячейку.

Для реализации предлагаемых нововведений система управления СМП подразумевает три уровня иерархии (фиг. 1):

– внутренний контур управления (В) 24;

– аппаратное управления (А) 25;

– внешняя регулировка (Р) 26.

Иерархический принцип ВАР обеспечивает самодостаточную и автономную работу каждого нижестоящего уровня организации СМП по отношению к вышестоящему, позволяя решать на каждом следующем уровне всё более сложные и комплексные задачи управления. Так, внутренний контур управления реализуется внутри каждой отдельно взятой ячейки и затрагивает вопрос её саморегулирования вне зависимости от остальных ячеек и блоков. Аппаратный уровень призван добиться высокоэффективной и безопасной совместной работы ячеек с тем, чтобы гарантировать потребителям бесперебойное питания с заданными для них требованиями. Внешняя регулировка осуществляется внешними по отношению к СМП средствами управления, либо вручную регулировкой параметров подстроечных элементов в цепях схем управления и соединением между собой силовых внешних выводов ячеек, предназначенных для подключения нагрузки (см. фиг. 7), и решает задачу настройки режима работы устройства в целом: определяет структуру подключения потребителей и задает параметры питания каждого из них.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой системы электропитания. Она содержит:

1…18 – каналы управления СМП.

19 – входной ключ, предназначенный для коммутации входного напряжения, а также выполняющий дополнительные функции токовой защиты, термозащиты, ограничения входного напряжения и диагностики состояния свой ячейки;

20 – модуль питания, служащий для организации преобразования постоянного входного напряжения в постоянное стабилизированное гальванически развязанное выходное напряжение и обеспечивающий необходимые защиты для своей работоспособности;

21 – выходной ключ, предназначенный для коммутации выходного напряжения, поступающего с МП, а также выполняющий дополнительные функции токовой защиты, термозащиты, регулировки выходного напряжения и диагностики состояния своей ячейки;

22 – дополнительный источник DC-DC, обеспечивающий питание входных ключей;

23 – дополнительный источник DC-DC, обеспечивающий питание выходных ключей;

24 – внутренний контур управления, образующий первый уровень иерархии системы управления;

25 – аппаратное управление, образующее второй уровень иерархии системы управления;

26 – внешняя регулировка, образующая третий уровень иерархии системы управления (осуществляется необходимым вмешательством, возможна как с помощью оператора, так и внешними аппаратными средствами);

27 – самовосстанавливающийся модуль питания, обеспечивающий электропитание одного или нескольких потребителей;

28 – отдельная ячейка в составе СМП;

29 – термозащита; в системе СМП должно быть несколько термозащит, которые обеспечивают выключение части ячеек при перегреве. Желательно использовать свою термозащиту на каждую ячейку, что может быть достигнуто при высокой степени микроминиатюризации.

30 – первичный источник постоянного тока;

31 – потребитель,

А – провод питания для входного ключа, питаемого от маломощного источника питания,

Б – провод питания для выходного ключа, питаемого от маломощного источника питания.

На фиг. 2 приведена структурная схема одной ячейки в составе СМП. Нумерация элементов структуры согласована с нумерацией на фиг. 1 и продолжает её. Структура ячейки содержит (повторяющиеся из рис. 1 элементы не приведены):

1 – транзисторный коммутатор входного ключа, представленный силовым элементом;

2 – токовая защита входного ключа;

3 – система управления входного ключа;

4 – обратная связь входного ключа;

5 – транзисторный коммутатор выходного ключа, представленный силовым элементом;

6 – токовая защита выходного ключа;

7 – схема управления выходного ключа;

1 –обратная связь выходного ключа;

ДУ – сигналы дистанционного управления, задаваемые внешними по отношению к ячейке устройствами управления;

ИП – маломощный источник питания для входных (выходных) ключей.

МП – модуль питания;

ОС – сигнал обратной связи;

ОСН – обратная связь ячейки СМП для компенсации потерь на выходном ключе, обеспечивающая стабильное выходное напряжение модуля;

«рег.» – сигнал, осуществляющий регулировку выходного напряжения МП при изменении выходных нагрузок;

СИ – сигналы информирования о состоянии ключей и МП (сигналы диагностики);

k – число подключенных к СМП потребителей.

На фиг. 3 показана вольт-амперная характеристика токовой защиты, реализуемой входными и выходными ключами ячеек СМП во входной цепи (с напряжением U_{вх МП}) и цепи нагрузки (с напряжением U_Н), соответственно.

На фиг. 4 показана условная схема подключения входного (выходного) ключа к МП.

На фиг. 5 показан принцип ограничения пускового тока входным и выходным ключами ячейки. Используемые обозначения:

I_exp –пусковой ток, характерный для нарастающего по экспоненциальному закону напряжения;

I_огр – ток, соответствующий работе токовой защиты, реализуемой входным и выходным ключами, в режиме ограничения;

I_З – ток, соответствующий работе токовой защиты, реализуемой входным и выходным ключами, в режиме защиты от короткого замыкания и превышения уровня срабатывания по току;

I_{З МП} – ток, ограничиваемый внутренними цепями защиты модуля питания, значение которого превышает уровень срабатывания токовой защиты, реализуемой входным и выходным ключами;

U_{вх МП} – входное напряжение модуля питания;

U_H – напряжение нагрузки.

На фиг. 6 показан принцип ограничения входного напряжения, осуществляемого входным ключом ячейки.

На фиг. 7 показан принцип группирования ячеек для питания разных потребителей.

На фиг. 8 показан принцип питания входных и выходных ключей ячеек с помощью маломощного источника для осуществления их функционирования.

Устройство работает следующим образом. Входное напряжение постоянного тока первичного источника электроэнергии преобразуется в одно, либо ряд выходных напряжений постоянного тока для питания подключенных к устройству потребителей. Преобразование осуществляется внутри N включенных параллельно ячеек, часть из которых работает на потребителей, другая остается в резерве. Использование ключей в составе ячеек позволяет группировать ячейки для обеспечения питанием как одного мощного, так и нескольких потребителей меньшей мощности с возможностью при необходимости перераспределения их подключений к устройству. Мощность создаваемых каналов задается соединением между собой внешних силовых выводов ячеек СМП, предназначенных для подключения к потребителю, и коммутацией входных и выходных ключей внутри соответствующих ячеек (см. фиг. 7). Соединение можно выполнить перемычками, либо отдельными коммутаторами, рассчитанными на соответствующий уровень напряжения и тока. Помимо задачи коммутации, ключи реализуют функции защиты, регулирования и диагностики.

Защита по току входных и выходных ключей выполняется по схеме ограничения мощности за счет увеличения падения напряжения на силовом транзисторе ключа (элементы 32, 36 на фиг. 2), в результате чего организуется дополнительное сопротивление в цепи коммутации тока и, таким образом, происходит ограничение тока на заданном уровне. Поскольку ключи соединены последовательно с модулями питания в пределах своей ячейки, принцип работы токовой защиты МП ячеек не является в рассматриваемой концепции основополагающим. Токовая защита МП предназначена только для работы при резких изменениях выходного тока МП, в основном при включении. Уровень срабатывания токовой защиты МП выставляется выше аналогичного уровня токовой защиты ключа (см. фиг. 3).

На принципе изменения напряжения на входном (выходном) ключах реализованы новые качества в работе защиты по ограничению входного (выходного) тока: при продолжительном превышении током порогового значения I_З (фиг. 3) напряжение на выходе ключа уменьшается до величины U_огр, при этом ток ключа также уменьшается до величины I_огр, тем самым ограничивая потери мощности на неисправной ячейке. Данное нововведение позволяет ограничить ток до величины, позволяющей осуществление нормального функционирования аппаратуры при коротких замыканиях как в МП, так и у потребителя.

Вольт-амперная характеристика, поясняющая работу предлагаемой токовой защиты, приведена на фиг. 3. В соответствии с ней система токовой защиты ключей определяется тремя уровнями:

1. ток штатного режима защиты от короткого замыкания I_З,

2. ток режима ограничения I_огр,

3. напряжение ограничения U_огр.

Работа в режиме ограничения (I_огр и U_огр) позволяет увеличить ёмкость выходных конденсаторов ключей (соответственно, входного и выходного конденсаторов МП) без потери работоспособности при включении ячейки (фиг. 4).

Используя режим ограничения, входным ключом можно ограничить величину пускового тока, а с помощью выходного ключа задать величину ёмкости выходного конденсатора.

За счет ограничения входного тока ячейки изменение напряжения на входе МП происходит не по экспоненциальному закону, а по ломаному линейному (фиг. 5).

В штатном режиме превышающий номинальное значение (I_ном) ток ячейки ограничивается максимальной величиной I_З, определяемой входным ключом, например

I_{вх max} = I_{З вх} = 1,1 I_{вх ном}

При использовании выходного ключа выходной ток будет ограничен по аналогии с входным ключом, например,

I_{вых max} = I_{З вых} = 1,1 I_{вых ном}

При исчезновении дестабилизирующих факторов (большой пусковой ток, короткое замыкание во входной или выходной цепях) ячейки самостоятельно восстанавливают свои функции, возвращаясь из режима ограниченного функционирования в штатный режим работы в случае, если не потребовалось их полного отключения системой управления, что также возможно и реализуется подачей сигнала ДУ на аппаратном уровне управления для размыкания силового транзисторного коммутатора (блоки 32, 36 на фиг. 2) в составе ключей.

Входной ключ позволяет задавать уровень стабилизации входного напряжения МП (см. фиг. 6), поступающего на него от первичного источника питания, что также облегчает работу МП ячейки. При ограничении входного напряжения U_вх с ростом температуры на входном ключе может включиться тепловая защита 29 (фиг. 1), обеспечивающая полное выключение ячейки СМП за счет размыкания силового транзисторного коммутатора ключа до момента остывания и прекращения работы термозащиты.

Выходной ключ обладает функцией коррекции выходного напряжения модуля питания своей ячейки, для чего у него предусмотрен отдельный управляющий вывод, подключаемый к выводу «Рег.» модуля при его наличии. Учитывая выполняемую задачу, данный вывод ключа также обозначен как «рег.» (фиг. 2). Вследствие изменения качества токовой защиты в МП ячеек потенциально появляется возможность расширить диапазон регулировки выходного напряжения до величин гораздо больших, чем в готовых покупных серийно выпускаемых модулях питания.

Также выходной ключ, помимо регулировки выходного напряжения МП с помощью функции «рег.», позволяет его ограничить в случае нештатного увеличения сверх необходимого уровня U_{вых ст} (по аналогии с ограничением напряжения U_вх входным ключом, показанным на фиг. 6).

Возможность включения и выключения ячейки в системе может осуществляться несколькими методами: путем включения (выключения) как входного или выходного ключей, так и МП ячеек, если в нём предусмотрена возможность дистанционного выключения; таким образом организуется возможность создания сложной структуры управления всей системой.

Выходные ключи выполняют функцию распределительного диода (проводят ток в одну сторону), что осуществляется за счёт управления проводимостью транзисторного коммутатора (блок 36 на фиг. 2) со стороны внутренней схемы управления 38, реагирующей на изменение направления тока, но, в отличие от схем с использованием диодов, падение напряжения на ключах будет значительно меньше (0,1 – 0,2 В). В условиях большой мощности выходные ключи позволяют использовать их параллельное соединение на одного потребителя.

Для полного открытия силовых элементов входных и выходных ключей используются маломощные источники DC-DC (блоки 22, 23 на фиг. 1 и фиг. 2) питающие входные и выходные ключи и имеющие различные выходные напряжения для различных структур силовых транзисторов, используемых при коммутации ключей (от 3,3 В до 12 В).

Введение дополнительных источников DC-DC для питания входных и выходных ключей позволяет выключить СМП, не прибегая к размыканию всех входных или выходных ключей, либо отключению всех модулей питания.

Система управления СМП имеет трехуровневую иерархию, задачи между уровнями которой распределены следующим образом. Внутреннее управление осуществляется локально внутри каждой ячейки, обеспечивая её саморегулирование для поддержания уровня выходного напряжения и перехода в ограниченный режим работы в момент запуска и в случае неполадок. Данный уровень управления реализуется за счет внутренних схем управления входных и выходных ключей (блоки 34, 38 на фиг. 2) и модулей питания 20 ячеек, а также линий связи между ними и показан на фиг. 1 в виде отдельного блока 24 исключительно для удобства восприятия. Аппаратный метод управления осуществляется на уровне управления ячейками и связан с возможностью их включения или выключения через сигналы ДУ (сигналы 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 на фиг. 2 и аналогичные выводы шины аппаратного уровня на фиг. 1), позволяя изменять количество находящихся в резерве ячеек для перераспределения мощности питания подключенного к соответствующим ячейкам потребителя, не допустить случаев перегрева и исключить из схемы СМП «сгоревшие» ячейки. Помимо этого, на аппаратном уровне реализуется задача выравнивания мощности между параллельно работающими в штатном режиме в пределах своей группы ячейками путем считывания и обработки информационных сигналов (сигналы СИ 2, 6, 8, 12, 14, 18 ключей и 4, 10, 16 МП на фиг. 2 и аналогичные выводы шины аппаратного уровня на фиг. 1) о значениях токов каждой ячейки и формирования ответного управляющего воздействия (сигналы ДУ 5, 11, 17 на МП и выходной ключ на фиг. 2 и аналогичные выводы шины аппаратного уровня на фиг. 1) для их выравнивания. Внешнее управление используется в случаях, когда два из перечисленных выше метода не позволяют полностью решить вопросы функционирования аппаратуры вследствие недостаточной оставшейся мощности СМП. Оно призвано обеспечить такое вмешательство в работу системы, при котором происходит восстановление её работоспособности путём перераспределения подключений потребителей (см. фиг. 7) и ячеек. Также в рамках предлагаемой концепции использование внешнего управления с помощью управляющих сигналов ДУ (сигналы 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 на фиг. 2 и аналогичные выводы шины внешнего уровня на фиг. 1), либо ручной регулировкой параметров подстроечных элементов в схемах управления позволяет изменить параметры функционирования отдельных ячеек: U_вых, I_{з вх}, I_{огр вх}, I_{з вых}, I_{огр вых}, U_{огр вх}, U_{огр вых} (см фиг. 3) и U_{вх ст}, U_{вых ст} (см. фиг. 6).

С целью обеспечения требуемых значений выходных напряжений для разных потребителей в СМП допускается возможность выставить на выходном выводе каждой ячейки значение из доступного набора уровней: +5 В, +12 В и т.д. (см. фиг. 7) при условии, что в ячейках СМП используются модули питания с соответствующей предусмотренной возможностью настройки. Использовать МП с жестко заданным значением выходного напряжения и варьировать уровень выходного напряжения ячейки только за счет ограничения его выходным ключом возможно, однако приведёт к значительному тепловыделению на ключе, ухудшая КПД преобразования. Альтернативой также является смена модуля на новый, обеспечивающий иное значение выходного напряжения, но данное решение ограничит универсальность и не позволит использовать одну из отличительных возможностей СМП.

Набор уровней выходных напряжений закладывается в систему управления разработчиком и может быть изменен только внешним управлением. С целью упрощения переключения между уровнями выходных напряжений ячеек предлагается использовать кодированный сигнал. Формирование кодированного сигнала осуществляется на аппаратном и внешнем уровне системы управления. В зависимости от подачи на группу выводов управления МП (каналы 3, 9, 15 на фиг. 2 и аналогичные выводы шины внешнего уровня на фиг. 1) различных комбинаций логических уровней «0» и «1» на силовых выходных выводах ячеек выставляются необходимые потребителям уровни напряжения. Группировка ячеек для питания нескольких отдельных потребителей осуществляется с помощью двухуровневой коммутации, на первом уровне которой выполняется соединение (перемычками, либо отдельными коммутаторами, рассчитанными на соответствующий уровень напряжения и тока) между собой силовых выходных выводов ячеек для образования группы, на втором уровне коммутацией входного и выходного ключей ячеек определяется, какая часть ячеек образует резерв (см. фиг. 7).

Разные режимы работы будут характеризоваться разными показателями КПД. При таком подходе критерий КПД не является основополагающим. Упор сделан на простоту схем, надежность и универсальность, что не позволяет до конца решить вопрос эффективности.

С целью унификации и упрощения системы аппаратный и внешний уровни управления могут осуществляться при помощи микроконтроллера, размещённого отдельно от ячеек внутри корпуса СМП. Управление достигается посредством обмена данными между микроконтроллером и другими устройствами. Внутри СМП взаимодействие происходит по каналам 1…18 (шины аппаратного и внешнего уровня на фиг. 1). На внешнем уровне управления получаемые от внешнего по отношению к СМП управляющего устройства данные после обработки микроконтроллером по каналам 1…18 (шины внешнего уровня на фиг. 1) производят корректировку параметров режима работы ячеек (меняют сигналы задания на выходное напряжение и работу цепей защиты для внутреннего контура управления) и меняют структуру подключений ячеек внутри СМП (изменяют количество работающих ячеек путём замыкания/размыкания входных и выходных ключей или включения/выключения модулей питания).

Также следует отметить, что включение ячеек при запуске СМП может происходить как одновременно, так и с задержкой друг относительно друга. Данную задержку могут обеспечить аппаратный и внешний уровни системы управления.

Источники информации

1. Патент RU 2692089 C2. Интеллектуальная система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки / Берг В. Р., Бродников С. Н., Михеев В. В., Гуров А. А., Буланов Р. Н., патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU) – опубл. 21.06.2019 Бюл. № 18.

2. Application note 3, rev. A «Parallel operation of DC power modules», Wall Industries, inc. 2016.

3. Патент RU 2525232 C2. Преобразователь напряжения / Гончаров А. Ю. (CZ), Гончаров М. Ю. (RU) – опубл. 27.10.2013, Бюл. № 30.

4. Патент RU 99254 U1. Двухтактный преобразователь с импульсной нагрузкой / Кириенко В. П., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU) – опубл. 10.11.2010.

5. Патент RU 2396684 C1. Блок вторичного электропитания / Швецов Ю. К., патентообладатель Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" (RU) – опубл. 10.08.2010.

6. Патент RU 182804 U1. Ограничитель тока / Миронов А. А., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Александер Электрик источники электропитания" (RU) – опубл. 04.09.2018.

7. Патент RU 144731 U1. Устройство защиты от выбросов входного тока / Гончаров М. Ю., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "АЕДОН" (RU) – опубл. 27.08.2014.

8. Справочные материалы «DC/DC преобразователи серии МИРАЖ МДМ7,5-П, МДМ10-П», Группа компаний Александер Электрик. – 2011 г.

9. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер с англ. – К. «МК-Пресс», 2007. С. 101–102.

10. Datasheet «TPS2475x 12-A eFuse Circuit Protector with Current Monitor TPS24750, TPS24751», Texas Instruments Inc. – October 2013, revised December 2018.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения постоянного тока (DC-DC) со стабилизированным выходным напряжением и параллельной архитектурой. Техническим результатом является повышение надежности электропитания с сохранением выходной мощности источника, возможность гибкого изменения структуры подключения потребителей и параметров функционирования ячеек, равномерность распределения мощности между ячейками в различных режимах работы. Результат достигается тем, что система состоит из N включенных параллельно однотипных ячеек, представляющих собой последовательно соединенные входной ключ, модуль питания (МП) и выходной ключ. При этом входной и выходной ключи ячеек содержат силовой транзисторный коммутатор, схему токовой защиты, схему управления с контуром обратной связи и питаются от отдельных маломощных преобразователей напряжения постоянного тока. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки, состоящая из нескольких (N) включенных параллельно ячеек с возможностью их группировки в соответствии с требованиями питания потребителя, образующих структуру N = M(1 + n₁), где M – число работающих ячеек, n₁ ϵ (0…1] – коэффициент дублирования, отличающаяся тем, что каждая из ячеек представляет собой последовательно соединённые входной ключ, модуль питания и выходной ключ, образущие единый самовосстанавливающийся модуль, где входной и выходной ключи ячеек содержат силовой транзисторный коммутатор, схему токовой защиты, схему управления с контуром обратной связи и питаются от отдельных маломощных преобразователей напряжения постоянного тока, при этом группировка ячеек осуществляется с помощью двухуровневой коммутации, на первом уровне которой выполняется соединение между собой силовых выходных выводов ячеек для образования группы, на втором уровне коммутацией входного и выходного ключей ячеек определяется, какая часть ячеек образует резерв.

2. Система преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока по п. 1, отличающаяся тем, что содержит несколько динамических нагрузок.