Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока Российский патент 2022 года по МПК H02M3/155 

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники (а именно к классу DC/DC преобразователей, т.е. конверторов) и может быть использовано в тех случаях, когда требуется решить задачу повышения уровня напряжения первичного источника питания до нескольких раз при заданных ограничениях по массогабаритным показателям и по КПД, например, при инвертировании напряжения солнечной батареи с повышением его в 2-3 раза (без использования согласующих трансформаторов).

Известен конвертор [1] (Коссов О.А, Хасаев О.И. Полностью управляемые тиристоры в устройствах автоматики. - М.: Энергия, 1970. - 112 с, рис. 3-25 на стр. 72), содержащий первую цепочку из последовательно включенных накопительного дросселя индуктивности и двухоперационного тиристора, которая подсоединена к силовым входным выводам для подключения их к источнику напряжения постоянного тока, а также вторую цепочку из последовательно включенных диода и фильтрующего конденсатора, которая подключена между точкой соединения накопительного дросселя индуктивности и тиристора и одним из силовых входных выводов. Для управления тиристором используется блок управления, включающий в себя модулятор ширины импульсов. Принцип работы заключается в следующем. Накопление энергии в накопительном дросселе индуктивности обеспечивается включением двухоперационного тиристора, а после его выключения накопленная в нем энергия передается в фильтрующий конденсатор и в нагрузку. Поскольку на интервале разряда дросселя индуктивности его ЭДС суммируется с напряжением источника питания, то значение напряжения на конденсаторе (и на нагрузке) при этом возрастает. Таким образом, чем больше длительность открытого состояния тиристора, тем больше будет накопленная в дросселе энергия и, соответственно, значение напряжения на нагрузке.

Недостатками настоящего технического решения являются: завышенные (неприемлемые) массогабаритные показатели накопительного дросселя индуктивности, который обусловлен работой его в режиме однополярного намагничивания (в диапазоне изменения индукции от значения остаточной индукции B_r до расчетного значения равного индукции насыщения: B_p≈B_s); ограниченная область применения, обусловленная относительно ограниченными значениями единичной мощностью преобразования (и рабочей частоты) двухоперационного тиристора; а также повышенное значение пульсаций напряжения на фильтрующем конденсаторе, что приводит к необходимости увеличения его установленной мощности (и росту его массы).

Ослабить во многом указанные недостатки известного конвертора можно использованием при его синтезе принципа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. Известно решение повышающего конвертора напряжения постоянного тока, реализующее принцип МКП [2] (Мыцык Г.С. Основы теории структурно-алгоритмического синтеза источников вторичного электропитания. - М.: Моск. энерг. инст.-т (МЭИ), 1989. - 109 с, стр. 76 (рис.4.3 в)), содержащее М число параллельно включенных как по силовому входу, так и по выходу каналов, каждый из которых выполнен в виде известной (и описанной в [1]) схемы конвертора. Каждый конвертор-канал содержит цепочку из последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности и ключевого элемента (КЭ), которая подсоединена к силовым входным выводам для подключения их к источнику напряжения постоянного тока, и вторую цепочку из последовательно включенных диода и фильтрующего (накопительного) конденсатора, которая подключена между одним из силовых входных выводов и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности с КЭ. Фильтрующий конденсатор является общим для всех М каналов. Так же, как и в выше рассмотренном решении [1], обкладки фильтрующего конденсатора образуют выходные выводы, но здесь уже не одного конвертора, а М числа конверторов. Блок управления таким многоканальным конвертором, описанный в [2] на стр. 76 стр. 77 (рис. 4.4в), содержит задающий генератор частоты М⋅ƒ_т, к выходу которого подключен распределитель импульсов (РИ) по М каналам, а также М число генераторов пилообразного напряжения (ГПН) и М число компараторов, один из двух входов каждого из которых подключен к одному из выходов РИ, а другие их входы объединены и образуют общий для всех каналов управляющий вход конвертора. Блок управления обеспечивает здесь попеременное переключение КЭ с частотой ƒ_т, с фазовым сдвигом относительно друг друга на угол δ=2π/М и с требуемой скважностью s=2π/θ_кэ (где θ_кэ - длительность включенного состояния КЭ), обеспечивающей с ростом скважности s требуемое повышение выходного напряжения относительно входного.

Недостатком данного технического решения является завышенная масса накопительного дросселя индуктивности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение массы накопительного дросселя (не менее, чем в 2 раза).

Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока.

Это достигается тем, что известный многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока, содержащий М каналов, каждый из которых выполнен в виде первой цепочки из последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности и полностью управляемого ключевого элемента (КЭ) с односторонней проводимостью, причем эта цепочка подключена к силовым входным выводам, предназначенным для подсоединения их к источнику напряжения постоянного тока, и второй цепочки из последовательно включенных диода и фильтрующего конденсатора, которая подключена между точкой соединения обмотки дросселя индуктивности с КЭ первой цепочки и одним из силовых входных выводов, причем фильтрующий конденсатор является общим для всех М каналов, а его обкладки образуют выходные выводы многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока, а также блок управления, включающий в себя задающий генератор (ЗГ), распределитель импульсов (РИ) на М число выходов с сигналами Р₁, Р₂, P_j, …, P_M, которые последовательно сдвинуты между собой на угол 2π/М, а также модуляторы ширины импульсов (МШИ), в виде генератора пилообразного напряжения (ГПН) и компаратора, при этом число каналов М является четным, причем в каждой паре каналов, образующих N=М12 число двухканальных модулей (ДКМ), две обмотки его дросселей индуктивности выполнены магнитно связанными и разноименными по полярности концами подключены к одному силовому входному выводу, а управляющие входы двух его КЭ подключены к тем выходам РИ, выходные импульсы у которых сдвинуты между собой на угол π.

При этом, в качестве М ключевых элементов (КЭ) в каналах могут быть установлены двухоперационные тиристоры или последовательно включенные транзистор и диод.

Блок управления снабжен М числом двухвходовых логических элементов «2И», модулятор ширины импульсов (МШИ) с выходным сигналом s выполнен общим для всех М каналов, его тактовый вход подключен к выходу задающего генератора, первый вход всех М двухвходовых логических элементов «2И» подключен к выходу МШИ, а их второй вход - к соответствующим выходам РИ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока; на фиг.2 показана функциональная схема блока управления (БУ); на фиг.3 изображены временные диаграммы рабочих процессов в схеме по фиг.1 и в БУ по фиг.2.

Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока содержит первый канал, выполненный в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 1 и ключевого элемента 2 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 5 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 1 с КЭ 2.

Второй канал выполнен аналогично - в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 7 и ключевого элемента 8 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 9 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 7 с КЭ 8.

Обмотки дросселя индуктивности 1 и 7 между собой выполнены магнитно связанными с помощью общего магнитопровода 10 и к силовому входному выводу 3 подключены с разной полярностью. Первый и второй каналы образуют первый двухканальный модуль (ДКМ) 11, выходные выводы 12, 13 которого выполнены с возможностью подключения к ним нагрузки 14 и выходных выводов второго ДКМ 15.

Второй ДКМ 15 выполнен аналогично первому ДКМ 11 и содержит 3-й и 4-й каналы, причем 3-й канал выполнен в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 16 и ключевого элемента 17 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 18 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 16 с КЭ 17.

Четвертый канал выполнен в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 19 и ключевого элемента 20 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 21 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 19 с КЭ 20.

Обмотки дросселя индуктивности 16 и 19 между собой выполнены магнитно связанными с помощью общего магнитопровода 22 и к силовому входному выводу 3 подключены с разной полярностью.

В примере импульсного регулятора напряжения постоянного тока на фиг.1 число каналов М=4, блок управления (БУ) выполнен четырехканальным и содержит последовательно соединенные задающий генератор (ЗГ) 23, распределитель импульсов (РИ) 24, модулятор ширины импульсов (МШИ) 25, включающий в себя генератор пилообразного напряжения (ГПН) 26 и компаратор (К) 27, а также логический узел (ЛУ) 28, выполненный в виде 4-х двухвходовых логических элементов (ЛЭ) «2И» 29÷32. При этом выходы ЛУ 29 и 30 (с сигналами Ψ₁ и Ψ₃ соответственно) подключены к управляющим входам КЭ 2 и 8, а выходы ЛУ 31 и 32 (с сигналами Ψ₂ и Ψ₄ соответственно) подключены к управляющим входам КЭ 17 и 20, Функциональная характеристика БУ заключается в том, что он выполнен с возможностью выработки 4-х последовательностей импульсов (при М=4), последовательно сдвинутых между собой на угол δ=2π/М=π/2 с регулируемой скважностью s=2π/θ_кэ (где θ_кэ - длительность открытого состояния КЭ). В данном примере минимально допустимое значение скважности s_min=4. При этом ее значении выходное напряжение максимально. При увеличении скважности выходное напряжение уменьшается

Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока работает следующим образом.

Логика работы блока управления (БУ) поясняется временными диаграммами на фиг.2а, а рабочие процессы в силовой части - диаграммами на фиг.2б. Принятые обозначения по БУ: и_зг - импульсы напряжения на выходе ЗГ 23, р₁ ÷ р₄ - импульсы на выходе РИ 27, и_гпн - пилообразное напряжение на выходе ГПН 26, s - импульсная последовательность на выходе компаратора (К) 27, ψ₁=sp₁, ψ₂=sp₂, ψ₃=sp₃, ψ₄=sp₄ - сигналы на выходе логического узла (ЛУ) 28. Эти сигналы последовательно сдвинуты между собой по фазе на угол δ=2π/М=π/2. Сигналы ψ₁=sp₁ и ψ₃=sp₃ сдвинуты между собой по фазе на угол ж и подаются на управляющие входы КЭ 2 и 8 первого ДКМ 11. Сигналы ψ₂=sp₂ и ψ₄=sp₄ также сдвинуты между собой по фазе на угол ж и подаются на управляющие входы КЭ 17 и 20 второго ДКМ 15.

Принятые обозначения по силовой части: i_w1, i_w7 - токи через обмотки 1, 7; i_w16, i_w19 - токи через обмотки 16, 19.

i_c - ток через фильтрующий конденсатор 6; и_с - напряжение на фильтрующем конденсаторе 6.

Согласно фиг.2 в момент времени θ=0 на управляющий вход КЭ 2 подается сигнал ψ₁ и он включается. Ток в обмотке 1 нарастает (по линейному закону) до момента θ=0₁, когда КЭ 2 выключается. На интервале Δθ=0₁÷0₂ накопленная в этой обмотке энергия через диод 5 разряжается на фильтрующий конденсатор 6, напряжение и_с на котором возрастает. В следующий момент времени 0₃ на управляющий вход КЭ 8 подается сигнал ψ₃, он открывается, и через обмотку 7 начинает протекать ток, нарастающий до следующего момента 0₄, когда КЭ 8 выключается. После чего накопленная в этой обмотке энергия передается фильтрующему конденсатору 6. Далее процессы в первом ДКМ 11 повторяются. Второй ДКМ 15 работает аналогично первому ДКМ 11, но по отношению к нему с фазовым сдвигом на угол δ=π/2. В результате выходное напряжение (на фильтрующем конденсаторе 6 - и_с и на нагрузке 14) имеет вид, показанный на фиг.2. Уровень пульсаций напряжения и_с определяется значением емкости фильтрующего конденсатора 6, а частота пульсаций в 4 раза больше тактовой частоты регулятора.

Предложенные топология регулятора и используемый алгоритм переключения КЭ в нем обеспечивают двухполярное перемагничивание магнитопроводов 10, 22 дросселей индуктивности (теперь уже переменного, а не постоянного тока). За счет изменения таким образом режима работы его дросселей результирующая масса двухобмоточного дросселя переменного тока оказывается меньшей (примерно от 2-х до 4-х раз, в зависимости от величины не магнитного зазора в его магнитопроводе и его материала) по сравнению с дросселем в прототипе, который работает в режиме однополярного намагничивания. При этом достигается также технологическое преимущество: несмотря на увеличение числа обмоток в дросселе (с 1-й до 2-х) общее их число витков остается примерно тем же (или даже меньшим, см. ниже), а общее число дросселей в регуляторе уменьшается в 2 раза. Кроме того, магнитная проницаемость магнитопровода (при том же зазоре, что и у прототипа) при двухполярном его перемагничивании оказывается большей, что в итоге приводит к дополнительному улучшению массогабаритных показателей дросселя.

К достоинствам предлагаемого многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока следует отнести также возможность получения повышенных значений преобразуемой мощности при использовании в нем реально располагаемых КЭ значительной меньшей единичной мощности.

Использование изобретения позволяет улучшить массогабаритные показателей многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока за счет снижения массы накопительного дросселя (не менее, чем в 2 раза).

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники, а именно к классу DC/DC преобразователей, т.е. конверторов. Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение массогабаритных показателей многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока. Известный многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока, содержащий М каналов, каждый из которых выполнен в виде первой цепочки из последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности и полностью управляемого ключевого элемента (КЭ) с односторонней проводимостью и второй цепочки из последовательно включенных диода и фильтрующего конденсатора, а также блок управления, модуляторы ширины импульсов (МШИ). Первая цепочка подключена к силовым входным выводам, предназначенным для подсоединения их к источнику напряжения постоянного тока. Вторая цепочка подключена между точкой соединения обмотки дросселя индуктивности с КЭ первой цепочки и одним из силовых входных выводов. При этом фильтрующий конденсатор является общим для всех М каналов, а его обкладки образуют выходные выводы многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока. Блок управления включает в себя задающий генератор (ЗГ), распределитель импульсов (РИ) на М число выходов с сигналами Р1, Р2, Pj, …, PM, которые последовательно сдвинуты между собой на угол 2π/М. МШИ представлены в виде генератора пилообразного напряжения (ГПН) и компаратора. Число каналов М является четным. В каждой паре каналов, образующих N=М/2 число двухканальных модулей (ДКМ), две обмотки его дросселей индуктивности выполнены магнитно-связанными и разноименными по полярности концами подключены к одному силовому входному выводу, а управляющие входы двух его КЭ подключены к тем выходам РИ, выходные импульсы у которых сдвинуты между собой на угол π. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока, содержащий М каналов, каждый из которых выполнен в виде первой цепочки из последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности и полностью управляемого ключевого элемента (КЭ) с односторонней проводимостью, причем эта цепочка подключена к силовым входным выводам, предназначенным для подключения их к источнику напряжения постоянного тока, и второй цепочки из последовательно включенных диода и фильтрующего конденсатора, которая подключена между точкой соединения обмотки дросселя индуктивности с КЭ первой цепочки и одним из силовых входных выводов, причем фильтрующий конденсатор является общим для всех М каналов, а его обкладки образуют выходные выводы многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока, а также блок управления, включающий в себя задающий генератор (ЗГ), распределитель импульсов (РИ) на М число выходов с сигналами Р₁, Р₂, P_j, …, P_M, которые последовательно сдвинуты между собой на угол 2π/М, а также модуляторы ширины импульсов (МШИ), в виде генератора пилообразного напряжения (ГПН) и компаратора, отличающийся тем, что число каналов М является четным, причем в каждой паре каналов, образующих N=М/2 число двухканальных модулей (ДКМ), две обмотки его дросселей индуктивности выполнены магнитно-связанными и разноименными по полярности концами подключены к одному силовому входному выводу, а управляющие входы двух его КЭ подключены к тем выходам РИ, выходные импульсы у которых сдвинуты между собой на угол π.

2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве М ключевых элементов (КЭ) установлены двухоперационные тиристоры.

3. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве М КЭ в каналах установлены последовательно включенные транзистор и диод.

4. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что блок управления снабжен М числом двухвходовых логических элементов «2И», модулятор ширины импульсов (МШИ) с выходным сигналом s выполнен общим для всех М каналов, его тактовый вход подключен к выходу задающего генератора, первый вход всех М двухвходовых логических элементов «2И» подключен к выходу МШИ, а их второй вход - к соответствующим выходам РИ.