Фазоимпульсный преобразователь Российский патент 2024 года по МПК H03K7/04 H03K7/08 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках электропитания с управляемым выходным напряжением для телекоммуникационного оборудования и гидроакустической аппаратуры в составе трактов электропитания энергоемких устройств повторно-кратковременных режимов работы с повышенными требованиями к энергетической эффективности и электромагнитной совместимости.

В преобразовательной и генераторной технике используются ключевые инверторы с фазоимпульсной модуляцией (ФИМ) для регулировки и стабилизации уровня выходного напряжения [Александров ВА, Островский ДБ, Сиверс МА; Параметрические излучающие тракты// Труды учебных заведений связи/ СПбГУТ.СПб. - 2000. - №. 165. С. 138-150; Acik KA, Codirci I. Active clamped ZVS forward converter with soft-switched synchronous rectifier for high efficiency low output voltage applications. Electric Power Applications. 2002; 165-174].

Вместе с тем применение ФИМ обуславливает существенные переходные процессы при включении инвертора. Выделенное обстоятельство связано с удвоенной амплитудой высокочастотных токов и необходимостью двукратного запаса по индукции для входных и выходных импульсных трансформаторов.

В известных устройствах [Bhagwat Pradeep Madhay, Justo Chadd Dial, Kashani Hamid, Britton Harry J, Prasad Atluri Rama, inventor; Electronic Measurements, Inc., assignee. Full range soft-switching DC-DC converter United States patent US 5,875,103. 1999. Feb 02; Александров ВА, Буянов АП, Игнатьев KB; АО «НИИ «Бриз». Ключевой преобразователь напряжения. Патент №2586567 РФ, МПК H03F 3/217, Н02М 5/275. №2015105835/08; Заявл. 19.02.2015; Опубл. 10.06.2016, Бюл. №16] используются специальные корректирующие индуктивности L_К в каждом канале ключевого усиления для генерации ВЧ тока с амплитудой I_ВЧ более максимального тока нагрузки, приведенного к первичным обмоткам выходного трансформатора с понижающим коэффициентом трансформации K_Е:

где Е - амплитуда импульсного напряжения типа «меандр» на выходе канала КУМ с удвоенным периодом переключений по сравнению с периодом Т ШИМ;

I_H - ток нагрузки;

I_ВЧ - высокочастотная составляющая тока нагрузки;

K_E - коэффициент трансформации выходного трансформатора;

L_К - корректирующая индуктивность;

Т - период ШИМ сигнала.

Выполнение условия (1) необходимо для перезаряда собственных (либо блокировочных) конденсаторов КУМ за счет энергии, запасенной в индуктивности L_К. Вместе с тем при управлении включением и отключением DC-DC преобразователя, реализуемом в составе трактов электропитания телекоммуникационной и гидроакустической аппаратуры, наличие корректирующих индуктивностей связано с переходными процессами с двукратным превышением амплитуды I_ВЧ. Во время установления процесса, длительность которого может достигать десятков периодов ШИМ, нарушаются условия достижения «мягких» траекторий переключения, что принципиально ухудшает надежность работы DC-DC преобразователей.

Отмеченный недостаток проявляется в меньшей степени в известных технических решениях фазоимпульсных преобразователей [Александров ВА, Галахов ВА, Фролов ГА; ЦНИИ «Морфизприбор». Формирователь последовательностей фазово-модулированных импульсов для возбуждения резонансной нагрузки. Патент №2022447 РФ, МПК Н03В 11/00. №4931475/09; Заявл. 29.04.1991; Опубл. 30.10.1994; Александров ВА, Галахов ВА, Можейко ВЛ, Чернуха ВА. Двухтактный фазоимпульсный модулятор. Патент №2013859 РФ, МПК Н03К 7/08. №5009439/21; заявл. 05.07.1991; опубл. 30.05.1994], предназначенные преимущественно для управления ключевым инвертором генераторного устройства, обеспечивающего возбуждение резонансной нагрузки. Однако переходные процессы могут приводить к насыщению трансформаторов гальванической развязки по входу (трансформаторы драйверов) и выходу (согласующие трансформаторы) ключевого инвертора.

По количеству общих признаков наиболее близким к предложенному техническому решению является фазоимпульсный преобразователь, описанный в патенте №2022447, обеспечивающий управление двухканальным КУМ пригодным для использования в составе ключевого инвертора как генераторного устройства тока и типового двухканального конвертора.

Структурная схема устройства-прототипа, показанная на фиг.1 содержит формирователь 1 импульсов, широтно-импульсный модулятор 2, фазоимпульсный модулятор 3 и двухканальный ключевой усилитель 4 мощности.

Устройство-прототип последовательно преобразует сигнал ШИМ с относительной длительностью импульсов t_и, пропорциональной опорному напряжению U₀ в два сигнала V₁ и V₂ с ФИМ в виде прямых и инверсных импульсных напряжений V_1.1, V_1.2 и V_2.1, V_2.2, которые передаются на управление транзисторами каналов двухканального КУМ 4, на выходе которого формируются импульсные напряжения Е₁, Е₂.

Фазоимпульсный преобразователь-прототип характеризуется переходными процессами при управлении включением и отключением режима работы, а также обладает пониженной надежностью в условиях изменения сервисного напряжения электропитания, уменьшение которого может приводить как к нарушению условий открытых состояний транзисторов оконечных каскадов КУМ, так и срыву функционирования импульсных сигналов, что также приводит к переходным процессам. Причем в этом случае увеличение ВЧ тока происходит при пониженном напряжении сигналов управления транзисторами, что связано с резким увеличением потери энергии и к возможности выхода из строя трансформаторов КУМ.

Другим недостатком устройства-прототипа является возможность аварийного режима работы при понижении сервисного электропитания, обеспечивающего функционирование узлов фазоимпульсного преобразователя и питания драйверов в составе каналов КУМ 4. В этом случае имеет место уменьшение амплитуды импульсов V_1.1, V_1.2 и V_2.1, V_2.2 (фиг.2, 3) к уровням ниже, необходимым для ключевого режима работы транзисторов, что приводит к росту остаточных напряжений и кратно увеличивает потери энергии до опасных аварийных режимов. Выделенные недостатки устройства-прототипа влияют на понижение надежности и существенно ограничивают области его использования в управляемых DC-DC преобразователях повышенной мощности.

Задачей изобретения является повышение надежности при расширении области применения фазоимпульсного преобразователя.

Технический результат изобретения заключается в устранении переходных процессов при включении и отключении устройства и обеспечении контроля уровня сервисного напряжения электропитания для блокировки работы устройства при понижении сервисного напряжения до опасных значений.

Технический результат достигается тем, что в известном фазоимпульсном преобразователе, содержащем формирователь импульсов, широтно-импульсный модулятор, фазоимпульсный модулятор и двухканальный ключевой усилитель мощности, входы сервисного электропитания которого подключены к шине вторичного напряжения, причем первый выход формирователя импульсов соединен с первым входом фазоимпульсного модулятора, а второй выход - с входом синхронизации широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен с вторым входом фазоимпульсного модулятора, первый и второй выходы которого подключены к входам первого и второго каналов двухканального ключевого усилителя мощности, выходы каналов которого соединены с первой и второй выходными шинами, введены новые признаки, а именно: введена интегрирующая цепь, релейный элемент, первая и вторая схемы задержки, схема совпадений, первый и второй узлы синхронизации, выходы которых соединены с входами управления первого и второго каналов двухканального ключевого усилителя мощности, при этом входы узлов синхронизации через первую и вторую схемы задержки подключены к первому и второму выходу фазоимпульсного модулятора, а входы управления - к выходу схемы совпадений, первый вход которой через релейный элемент соединен с шиной вторичного электропитания, а второй вход - с шиной управления, подключенной через интегрирующую цепь к входу опорного напряжения широтно-импульсного модулятора.

Наилучший результат получается, если каждый канал двухканального усилителя мощности содержит последовательно соединенные драйвер, ключевой усилитель мощности с трансформаторным выходом и трансформатор, при этом входы управления драйверов обоих каналов являются входами управления двухканального ключевого усилителя мощности, их входы синхронизации - входами синхронизации двухканального ключевого усилителя мощности, а выходы трансформаторов - его выходами.

Введение совокупности дополнительных блоков и связей при соответствующем выборе параметров обеспечивают синхронизацию управления включением и отключением устройств в условиях минимизации переходных процессов в корректирующих индуктивностях каналов КУМ и устранения аварийного напряжения сервисного электропитания.

Выделенные преимущества обеспечивают расширение области применения заявляемого технического решения в DC-DC преобразователях с фазоимпульсной модуляцией.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-4, где на фиг.1 приведена структурная схема устройства-прототипа, на фиг.2 - структурная схема заявляемого фазоимпульсного преобразователя, на фиг.3 - структурная схема двухканального КУМ, на фиг.4 - временные диаграммы сигналов, поясняющие особенности работы фазоимпульсного преобразователя при номинальном и пониженном напряжении сервисного электропитания.

На фиг.4:

ƒ_ШИМ, ƒ_ФИМ - сигналы тактовых частот ШИМ и ФИМ преобразования на выходах формирователя импульсов;

U_п - пилообразное напряжение частотой ƒ_ШИМ, формируемое в ШИМ;

U_и - выходное напряжение интегрирующей цепи 9, плавно нарастающее за несколько (3-5) периодов ƒ_ФИМ до опорного напряжения U₀;

Y - команда управления (высокий уровень - включение, низкий уровень - отключение);

V₁, V₂ - импульсные сигналы типа «меандр» с частотой f_ФИМ сдвинутые на длительность импульса ШИМ сигнала (импульс - высокий уровень для U_п(t)<U; пауза - низкий уровень для U_п(t)>U);

Y₁, Y₂ - команды управления первым и вторым каналами КУМ 4 после узлов 7 и 8 синхронизации;

Е_с - напряжение сервисного электропитания в номинальном режиме и в режиме отключения при Е_с<E_min;

Y₃ - команда контроля номинального режима сервисного электропитания (выходной уровень при Е_с>E_min);

V_1.1, V_1.2 и V_2.1, V_2.2 ^_ прямые и инверторные сигналы управления транзисторами полумостовых схем первого и второго каналов КУМ 4, формируемыми драйверами 4.1 и 4.2;

Е₁, I_ВЧ1 и Е₂, I_ВЧ2 - выходные напряжения и высокочастотные токи первого и второго каналов КУМ 4 (КУМ 4.3 и КУМ 4.4) с выходными трансформаторами (Тр 4.5 и Тр 4.6) при наличии корректирующих индуктивностей первичных обмоток.

Заявленное устройство (фиг.2) содержит формирователь 1 импульсов (ФИ), широтно-импульсный модулятор 2 (ШИМ), фазоимпульсный модулятор 3 (ФИМ), схемы 5, 6 задержки, узлы 7, 8 синхронизации, двухканальный ключевой усилитель 4 мощности, первый и второй канал которого содержат соответственно драйверы 4.1, 4.2, ключевые усилители (КУМ) 4.3 и 4.4 выполненные в виде полумостовых схем на полевых транзисторах, выходные трансформаторы 4.5 и 4.6 с корректирующей индуктивностью первичных обмоток, а также интегрирующую цепь 9 (ИЦ), релейный элемент 10 (РЭ) и схему совпадений 11.

Все структурные блоки, входящие в состав предлагаемого фазоимпульсного преобразователя, выполняются по известным правилам, а их совокупное использование обеспечивает достижение заявленного результата.

Формирователь 1 импульсов должен обеспечивать генерацию тактовых частот ƒ_ШИМ=ƒ_ФИМ в виде симметричных последовательностей импульсов, что достигается использованием задающего генератора с частотой ƒ_τ=2 ƒ_ШИМ и двух триггеров.

Широтно-импульсный модулятор 2 выполняется на генераторе пилообразного напряжения с частотой f_ШИМ и компараторе, обеспечивающем сравнение сигнала U_п(t) с напряжением U на входе опорного напряжения ШИМ для формирования ШИМ сигнала.

Фазоимпульсный модулятор 3 предназначен для формирования двух симметричных импульсных сигналов V₁ и V₂ частотой ƒ_ФИМ с временным сдвигом на длительность импульса ШИМ сигнала, может быть выполнен, например, на схемах, предложенных в патентах РФ №2022447 и №2013859.

Двухканальный ключевой усилитель 4 (фиг.3) предназначен для ключевого усиления сигналов V₁ и V₂ с ФИМ, может быть выполнен на драйверах 4.1 и 4.2 импульсных сигналов с прямыми и инверсными гальванически развязанными выходами, на каналах КУМ 4.3 и КУМ 4.4, реализованных на полумостовых схемах на полевых транзисторах с трансформаторными выходами на Тр 4.5 и Тр 4.6. Особенностью реализации драйверов является обеспечение задержки включения τ_Ф транзисторов для формирования временного интервала мягкого перезаряда собственных (либо блокировочных) емкостей транзисторов, что достигается включением на выходах драйверов RCD цепей. Причем формирование фронтов и спадов выходных напряжений Е₁ и Е₂ обеспечивается за счет избыточной энергии корректирующих индуктивностей первичных обмоток выходных трансформаторов Тр 5 и Тр 6 от протекания высокочастотных токов I_ВЧ1 и I_ВЧ2 при выполнении условия (1).

Интегрирующая цепь 9 предназначена для устранения экстремальных пусковых режимов при использовании заявленного устройства с DC-DC преобразователем с емкостной нагрузкой. При выборе постоянной времени интегрирования τ_и из условия плавного заряда емкости нагрузки включение устройства происходит без броска выходного тока, что является необходимым условием сохранения и мягких траекторий переключения КУМ 4.3 и КУМ 4.4.

Релейный элемент 10 должен обеспечивать блокировку работы (сигнал Y₃ низкого уровня) при понижении сервисного напряжения Е_с ниже уровня E_min для исключения аварийных режимов КУМ 4, связанных с нарушением открытого состояния проводящих транзисторов и ростом остаточных напряжений при критическом увеличении энергии потерь. Релейный элемент может быть выполнен на пороговом устройстве с амплитудным гистерезисом для обеспечения устойчивого выделения команды Y.

Схема 11 совпадений предназначена для формирования команды разрешения на работу при наличии входного управления (Y=1) (высокий уровень) и номинальным напряжением сервисного электропитания (Е_с>E_min) (Y₃=1). При отсутствии хотя бы одного из двух условий формируется команда запрещающая работу устройства. Схема 11 совпадения может быть, например, выполнена на логическом элементе «И».

Схемы 5 и 6 задержки должны обеспечивать синхронизацию передачи регулирующей команды разрешения на включение драйверов 4.1 и 4.2 по фронту импульсных сигналов V₁ и V₂ с задержкой равной четверти периода частоты ƒ_ФИМ. При этом достигаются минимальные переходные процессы включения КУМ 4.1 и КУМ 4.2 при нулевых начальных условиях нарастание высокочастотных токов ƒ_ВЧ1 и ƒ_ВЧ2 через корректирующие индуктивности первичных обмоток трансформаторов Тр 4.5 и Тр 4.6. Такие схемы задержки могут быть выполнены на пороговых схемах с заданной постоянной времени интегрирования по входу.

Узлы 7 и 8 синхронизации предназначены для синхронизации управляющих команд Y₁ и Y₂ с импульсными сигналами V₁ и V₂ с ФИМ при заданной временной задержке τ=1/4ƒ_ФИМ. Также узлы могут быть выполнены с использованием D-триггеров.

Приведенное описание блоков с определением особенностей характеристик и возможной реализацией из состава заявляемого ФИП подтверждает практическую реализуемость предлагаемого технического решения.

Заявляемое техническое устройство работает следующим образом. Для номинального напряжения сервисного электропитания Е_с>E_min на выходе релейного элемента 10 формируется команда Y на включение устройства. При этом на входе опорного напряжения присутствует сигнал U=0, соответствующий минимальному уровню пилообразного напряжения U_п(t) в отсутствие импульсов на выходе ШИМ 2 и практически противофазными сигналами V₁ и V₂ на выходах ФИМ 3, что показано на фиг.4.

Первичное включение каналов КУМ 4 обеспечивается по командам управления Y₁ и Y₂, формируемым узлами 7 и 8 синхронизации по флангам сигналов V₁ и V₂, задержанных на τ=1/4 ƒ_ФИМ. В этом случае амплитуда высокочастотного тока I_ВЧ1 и I_ВЧ2 на первом периоде переключение не превышает установившегося значения

Где L_К - корректирующая индуктивность первичной обмотки выходных трансформаторов.

Таким образом с момента начала работы амплитуда положительной и отрицательной полуволн I_ВЧ1 и I_ВЧ2 равны, чем достигаются условия плавного изменения фронта и спада импульсных напряжений Е₁ и Е₂ (фиг.4) во время задержки включение транзисторов.

Кроме того в предлагаемом техническом решении обеспечивается своевременное отключение команд управления Y₁ и Y₂ при понижении напряжения сервисного электропитания при сохранении условий синхронизации, обеспечивающих минимизацию переходных процессов (фиг.4). Устранение аварийного режима достигается блокировкой прохождения команды управления Y через схему 11 совпадения при понижении сервисного напряжения минимально допустимого уровня E_min, установленного релейным элементом 10. Выполнение условия Е_с≥E_min определен гарантированным обеспечением ключевого режима работы транзисторов КУМ 4.3 и КУМ 4.4, управляемых драйверами 4.1 и 4.2, при малых остаточных напряжениях.

Аналогичная синхронизация выключения драйверов 4.1 и 4.2 регулируются при штатном выключении снятием команды Y (низкий уровень), чем также достигается минимизация переходных процессов при исключении подмагничивания выходных трансформаторов в кратковременных режимах работы из-за возможной асимметрии интегральных значений импульсных напряжений Е₁ и Е₂.

Перечисленные преимущества заявленного технического решения обеспечивают принципиальное улучшение характеристик фазоимпульсного преобразователя, связанное с устранением переходных процессов при включении и отключении ключевого стабилизированного конвертора с ФИМ. Причем при включении предлагаемого устройства достигается устранение экстремальных высокочастотных и низкочастотных составляющих тока каналов ключевого усиления, значения которых в известных технических аналогах и устройстве-прототипе превышают номинальные значения более чем в два раза.

Дополнительным преимуществом настоящего изобретения, обеспечивающим повышение надежности работы КСК, является реализация контроля уровня сервисного электропитания при синхронизации выключения каналов КУМ в случае уменьшения напряжения ниже допустимого уровня для предотвращения аварийной ситуации.

Таким образом, в предлагаемом фазоимпульсном преобразователе решена задача повышения надежности при использовании фазоимпульсного преобразователя в составе ключевых стабилизированных конверторов с мягкими траекториями переключений за счет двукратного уменьшения экстремального выходного тока КУМ и их отключения при понижении сервисного электропитания, что выгодно отличает заявленное устройство от прототипа и технических аналогов.

На предприятии изготовителе опытные образцы модулей КСК с ФИМ, испытания которых подтвердили преимущество применения предлагаемого фазоимпульсного преобразователя, что позволяет рекомендовать внедрение настоящего изобретения в системы вторичного электропитания приоритетных заказов.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках электропитания с управляемым выходным напряжением. Технический результат изобретения заключается в устранении переходных процессов при включении и отключении устройства и обеспечении контроля уровня сервисного напряжения электропитания для блокировки работы устройства при понижении сервисного напряжения до значений аварийного напряжения. Такой результат обеспечивается за счет синхронизации управления включением и отключением устройств в условиях минимизации переходных процессов в корректирующих индуктивностях каналов ключевого усилителя мощности, что, в свою очередь, обеспечивается за счет дополнительного введения в фазоимпульсный преобразователь интегрирующей цепи, релейного элемента, первой и второй схем задержки, схемы совпадений и первого и второго узлов синхронизации, выходы которых соединены с входами управления двухканального ключевого усилителя мощности. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фазоимпульсный преобразователь содержит формирователь импульсов, широтно-импульсный модулятор с входом опорного напряжения, фазоимпульсный модулятор и двухканальный ключевой усилитель мощности, входы сервисного электропитания которых подключены к шине вторичного напряжения, причем первый выход формирователя импульсов соединен с первым входом фазоимпульсного модулятора, а второй выход к входу синхронизации широтно-импульсного модулятора, выход которого соединен со вторым входом фазоимпульсного модулятора, первый и второй выходы которого подключены ко входам первого и второго каналов двухканального ключевого усилителя мощности, выходы каналов которого соединены с первой и второй выходными шинами, отличающийся тем, что в его состав введены интегрирующая цепь, релейный элемент, первая и вторая схемы задержки, схема совпадений и первый и второй узлы синхронизации, выходы которых соединены с входами управления первого и второго каналов двухканального ключевого усилителя мощности, при этом входы узлов синхронизации через первую и вторую схемы задержки подключены к первому и второму выходу фазоимпульсного модулятора, а входы управления - к выходу схемы совпадений, первый вход которой через релейный элемент соединен с шиной вторичного электропитания, а второй вход - с шиной управления, подключенной через интегрирующую цепь к входу опорного напряжения широтно-импульсного модулятора.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждый канал двухканального усилителя мощности содержит последовательно соединенные драйвер, ключевой усилитель мощности с трансформаторным выходом и трансформатор, при этом входы управления драйверов обоих каналов являются входами управления двухканального ключевого усилителя мощности, их входы синхронизации - входами синхронизации двухканального ключевого усилителя мощности, а выходы трансформаторов - его выходами.