Способ управления импульсным источником питания Российский патент 2024 года по МПК H02M3/335 

Способ управления импульсным источником питания относится к области электротехники и может быть использован, например, в системах питания для преобразования и стабилизации постоянного напряжения.

Известны импульсные источники питания с переключением силовых ключей при минимальном напряжении в первичной цепи инвертора, в которых способ переключения при минимальном напряжении реализуется схемотехническими решениями за счет введения в схему инвертора дополнительных активных и пассивных компонентов и цепей [Патент РФ RU 2109394 C1, кл. H02M3/335, 1994].

Недостатком способа является тот факт, что переключение происходит в строго определенный момент времени, в то время, как момент времени, в который наблюдается минимум напряжения в первичной цепи инвертора определяется совокупностью номиналов компонентов этой цепи и может неконтролируемо меняться при изменении условий эксплуатации, например, температуры или из-за процессов естественной деградации номиналов компонентов с течением времени. Это приводит к тому, что в ходе эксплуатации изделия происходит рассогласование по времени между моментом достижения минимума напряжения в первичной цепи инвертора и моментом переключения силовых ключей, которое сводит на нет преимущества, обеспечиваемые данным способом.

Наиболее близким техническим решением является способ управления импульсным источником питания, основанный на измерении текущего значения тока, его оцифровке, записи в память и последующему вычислению по записанным данным сигналов управления инвертора [Патент РФ RU 2420853 C1, кл. H02M3/335, 2010]. Данный способ используется для улучшения стабилизации тока на нагрузку и позволяет оперативно реагировать на изменение условий эксплуатации устройства и изменение номиналов компонентов в результате процесса естественной деградации.

Недостатком прототипа является тот факт, что переключение силовых ключей в инверторе происходит в произвольный момент времени, что приводит к большим потерям мощности в момент коммутации и, соответственно, повышению тепловыделения и снижению КПД источника питания в целом.

Предлагаемый способ управления импульсным источником питания направлен на снижение потерь мощности на коммутацию, тепловыделения на силовых компонентах первичной цепи инвертора и повышение КПД источника питания.

Результат достигается тем, что в способе управления импульсным источником питания, основанном на импульсной модуляции сигнала управления инвертором, измеряют текущее значение тока в цепи нагрузки, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера, дополнительно одновременно измеряют, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера значения напряжения в первичной цепи инвертора, вычисляют программным способом параметры сигнала управления инвертором, формируют сам сигнал управления инвертором и обеспечивают коммутацию силовых ключей инвертора при минимальном напряжении в первичной цепи инвертора и стабилизацию тока на нагрузке.

На фиг. 1 представлена структурная схема источника питания, реализующая данный способ, на фиг. 2 - схема включения микроконтроллера в первичную цепь инвертора, а на фиг 3 - изменение напряжения «сток - исток» и тока через силовой ключ в первичной цепи инвертора.

Источник питания (фиг. 1) содержит инвертор 2, вход которого через входной фильтр 1 соединен с первичным источником электрической энергии. Выход инвертора 2 подключен ко входу выпрямителя 3, выход которого через выходной фильтр 4 подключен к нагрузке 5, последовательно с которой включен прецизионный шунт 6. Сигнал с шунта 6 подается на первый канал АЦП 7. Одновременно на второй канал АЦП 7 подается сигнал с первичной цепи инвертора 2, пропорциональный напряжению «сток - исток» на силовом ключе инвертора 2 (фиг. 2).

Цифровые значения сигналов с выхода АЦП 7 поступают в микроконтроллер (МК) 8, который программно вычисляет и формирует управляющий сигнал, поступающий на затвор силового ключа и обеспечивающий его коммутацию.

Способ управления реализуется следующим образом. Изменение напряжения «сток - исток» и тока через силовой ключ первичной цепи инвертора показано на фиг. 3.

Переключение ключа должно происходить в момент времени . С точки зрения снижения потерь при переключении оптимальным моментом коммутации является t₃, t₅ или любой другой, соответствующий любому минимуму напряжения. В патентах - аналогах момент переключения соответствует первому минимуму t₃) и определяется специальными схемотехническими решениями с использованием дополнительных пассивных и активных компонентов. В заявляемом способе момент переключения соответствует второму минимуму t₅). Изменение условий эксплуатации, а также в процессе длительной эксплуатации происходит изменение номиналов компонентов и, соответственно, что характерно для аналогов, рассогласование момента коммутации и момента достижения минимума напряжения. В прототипе момент коммутации вообще никак не регулируется.

В заявляемом способе в определенные тактовые моменты времени измеряют величину, пропорциональную напряжению «сток - исток» на силовом ключе первичной цепи инвертора, оцифровывают ее с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и передают ее на микроконтроллер. При первом после запуска источника питания выключении ключа микроконтроллер определяет моменты времени t₁, t₂ и по формуле t₆ = 2t₂ – t₁ вычисляет момент включения ключа. При втором выключении ключа микроконтроллер методом перебора данных на интервале вычисляет положение глобального минимума глобального максимума и периода колебаний Положение глобальных минимума и максимума могут быть вычислены с помощью и других известных в математике методов, в частности, например, градиентного метода.

Положение остальных минимумов вычисляется по формуле где - номер минимума. Точность определения момента достижения минимума напряжения зависит от разрядности и частоты дискретизации АЦП и рабочей частоты микроконтроллера. При последующих тактах работы инвертора в момент достижения минимума микроконтроллер формирует сигнал на открытие силового ключа.

Через программно определяемый интервал времени работы источника питания положение минимумов уточняется по описанному алгоритму.

Сигнал управления подается непосредственно на затвор силового ключа (фиг. 2), при этом в отличие от прототипа необходимость в отдельном ШИМ контроллере отпадает.

Так как на зависимости напряжения «сток - исток» присутствует несколько минимумов, программное обеспечение микроконтроллера в зависимости от величины сигнала, поступающего на микроконтроллер с шунта 6, каждый раз выбирает минимум, при котором происходит коммутация силового ключа, что меняет частоту коммутации и обеспечивает частотно импульсное управление стабильностью тока на нагрузке.

Если ток на нагрузке соответствует заданной величине, записанной в памяти микроконтроллера, микроконтроллер переключает ключ в момент времени, соответствующий второму минимуму. Если ток на нагрузке оказывается меньше заданной величины, переключение ключа происходит в момент времени, соответствующему первому минимуму. Если ток на нагрузке оказывается больше заданной величины, переключение ключа происходит в моменты, соответствующие третьему минимуму.

Необходимая точность и скорость обработки сигнала обеспечиваются использованием микроконтроллера с рабочей частотой 20 МГц и 16 разрядной АЦП с частотой дискретизации 20 МГц

Для тестирования предложенного способа управления импульсным источником питания в конструкции стандартного обратно ходового DC -DC преобразователя номинальной мощностью 250 Вт были сделаны соответствующие изменения. Результаты испытаний приведены в таблице

Параметры Обратно ходовой DC - DC преобразователь Исходный образец Образец после модификации под заявляемый способ управления Номинальная мощность, Вт 250 250 Отклонение тока на нагрузке, % ± 5,0 ± 0,5 Частота преобразования, кГц 500 500 КПД, % 87,3 91,1 Температура корпуса силового ключа первичной цепи инвертора, °С 40÷45 35÷38 Температура корпуса транзисторов цепи синхронного управления, °С 55÷60 40÷44

Таким образом, заявляемый способ позволяет уменьшить потери при преобразовании энергии в инверторе, что приводит к повышению КПД источника питания и уменьшению выделения тепла в теплонагруженных компонентах схемы.

Способ управления импульсным источником питания относится к области электротехники и может быть использован, например, в системах питания для преобразования и стабилизации постоянного напряжения. Предлагаемый способ управления импульсным источником питания направлен на снижение потерь мощности на коммутацию, тепловыделения на силовых компонентах первичной цепи инвертора и повышение КПД источника питания. Результат достигается тем, что в способе управления импульсным источником питания, основанном на импульсной модуляции сигнала управления инвертором, что измеряют текущее значение тока в цепи нагрузки, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера, дополнительно одновременно измеряют, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера значения напряжения в первичной цепи инвертора, вычисляют программным способом положения минимумов напряжения при выключенных ключах инвертора и в зависимости от величины текущего значения тока в цепи нагрузки выбирают тот минимум, в момент наступления которого подается сигнал от микроконтроллера на включение ключей инвертора, что обеспечивает коммутацию силовых ключей инвертора при минимальном напряжении на них и стабилизацию тока на нагрузке. Таким образом, заявляемый способ позволяет уменьшить потери при преобразовании энергии в инверторе, что приводит к повышению КПД источника питания и уменьшению выделения тепла в теплонагруженных компонентах схемы. 3 ил.

Способ управления импульсным источником питания, в конструкции обратно ходового DC-DC преобразователя, который содержит инвертор, включающий трансформатор, первичная обмотка которого через силовой ключ соединена с источником электрической энергии, а вторичная обмотка через выпрямитель соединена с нагрузкой, основанный на импульсной модуляции сигнала управления инвертором, заключающейся в том, что измеряют текущее значение тока в цепи нагрузки, которое оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера, отличающийся тем, что одновременно измеряют, оцифровывают и сохраняют в памяти микроконтроллера значения напряжения «сток - исток» на силовом ключе, при первом после запуска источника питания выключении силового ключа микроконтроллер определяет момент времени выключения силового ключа (t₁) и момент спада тока нагрузки до нуля и по формуле вычисляет момент включения ключа при втором выключении ключа микроконтроллер методом перебора данных на интервале (t₂, 0,9 t₆) вычисляет положение глобального минимума глобального максимума и период колебаний инвертора, положение остальных минимумов вычисляется по формуле где - номер минимума, если ток на нагрузке соответствует заданной величине, записанной в памяти микроконтроллера, микроконтроллер формирует сигнал на открытие ключа в момент времени, соответствующий второму минимуму, если ток на нагрузке оказывается меньше заданной величины, микроконтроллер формирует сигнал на открытие ключа в момент времени, соответствующий первому минимуму, если ток на нагрузке оказывается больше заданной величины, микроконтроллер формирует сигнал на открытие ключа, соответствующий третьему минимуму.