Импульсный стабилизатор напряжения Советский патент 1988 года по МПК G05F1/56 

tfvrf

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в системах электропитания с импульсным pei-улированием выходного квазинепрерывного напряжения, например в системах электропитания бортовой аппаратуры.

Цель изобретения - повьппение КПД в динамических режимах работы.

На фиг. 1 приведена функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. 2 - структурная схема его отдельных узлов, на фиг.З временная диаграмма, поясняющая работу устройства управления импульсного стабилизатора напряжения, на фиг. 4 - временные диаграммы, пояс- няюпще работу импульсного стабилизатора напряжения.в статическом режиме и режиме увеличения тока нагрузки.

Стабилизатор содержит две идентичные цепи 1 и 2, причем каждая цепь 1 (2) образована последовательным соединением силового ключа

3(4) и конденсатора 5 (6). Цепи 1

и 2 включены параллельно друг другу между входной 7 и выходной 8 клеммами. Дроссель 9 имеет три обмотки 10- 12, причем обмотка 10 (11) по; чюче- на концами порознь, через ключ 13 (14 управления и ключ 15 (16) регулирования к общей точке силового ключа

4(3) и конденсатора 6 (5), обе обмотки 10 и 11 подключены отводами к выходной клемме В. Обмотка 12 подсоединена одним концом к выходной клемме 8. а вторьт концом через основной ключ 17 - к входной клемме 7 и через замыкающий ключ 18 к общему проводу 19 стабилизатора. Устройство

20сравнения входом подключено к выходной 8 клемме, а выходом - к входу

21ШИМ 22 и через интегратор 23 - к входу 24 ШИМ 22. ШИМ 22 выходами 25- 27 соединен соответственно с входами 28-30 блока 31 импульсного управления (БИУ). БИУ 31 присоединен выходами 32-39 соответствено к управляющим входам ключей управления 13 и 14 регулирования 15 и 16 и силовых ключей 3 и 4. Выход 39 БИУ 31 подключен также и к входу 40 ШИМ 22.

Устройство 20 сравнения (фиг. 2) выполнено в виде источника 14 эталон Hoi o напряжения подключенного выходо к неинвертирующему входу усилителя 42, инвертирующий вход последнего подсоединен к входу, а выход - к вы0

0

5

ходу устройства 20 сравнения. ШИМ 22 содержит включенные последовательно дифференциатор 43, выпрямитель 44, генератор 45 пилообразного напряжения (ГПН). усилитель 46, причем вход дифференциатора 43 подключен к входу 40 ШИМ 22, а усилитель 46 неинвертирующим входом подключен к общему проводу 19, а инвертирующим входом - к выходу ГПН 45. В состав ШИМ 22 входят также три компаратора 47 - 49, подключенные выходами соответственно к выходам 26 - 27 ШИМ 22. Неинвертирующие входы компараторов 47 и 49 подключены соответственно к выходам ГПН

45и усилителя 46. Вход 21 ШИМ 22 соединен соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами компараторов 47 и 48. Инвертирующие входы компараторов 48 и 49 подключены соответственно к выходу усилителя

46и входу 24 ШИМ.22.

БИУ 31 содержит генератор 50,подключенный прямым и инверсным выходами соответственно к выходам 38 и 39 БИУ 31, схемы И 51-56, подключенные выходами соответственно к выходам 32-37 БИУ 31. Схема ИПИ-НЕ 57 двумя входами, по отдельности, подключена к входам 28 я 29 БИУ 31, а выходом - к первым входам схем И 55 и 56. Первые входы схем И 51 и 53 подключены к прямому выходу генератора 50, а схем И 52 и 54 - к инверсному выходу генератора 50, Вторые входы схем И 51 и 52 подсоединены к входу 28 БИУ 31, а схем И 53 и 54 - к входу 29 БИУ 31. Вход 30 БИУ 31 соединен с вторым входом схемы И 55 и через схему НЕ 58 - с вторым входом схемы И 56.

Устройство работает следующим образом.

На диаграмме Т показаны временные интервалы работы узлов управления стабилизатором, на диаграммах 25-27 и 32-39 - импульсные сигналы соответствующих выходов ШИМ 22 и БИУ 31 (фиг. 3).

Генератор 50 БИУ 31 генерирует на своих выходах и соответственно выходах 38 и 39 БИУ 31 импульсные сиг налы в противофазе друг другу с коэффициентом заполнения и периодом, равным интервалу времени (фиг. 3).

Импульсный сигнал с выхода 39 БИУ 31 поступает на вход 40 ШИМ 20 и

0

5

0

5

0

t,-t.

далее через дифференциатор 43 -на вы- пряьштель 44, При этом на выходе выпрямителя 44 формируются короткие положительные импульсы, которые поступают на вход ГПН 45 и синхронизируют его работу. На выходе ГПН 45 формируется пилообразное напряжение , которое поступает на инвертирующий вход усилителя 46. На выходе усилителя 46 формируется пилообразное напряжение F, - инверсное Г, .

Напряжение Ujj,n (диаграмма U,. ) с выхода 8 стабилизатора поступает в устройство 20 сравнения, где ВЫДР.ПЛ- ется напряжение рассогласования U р (диаграмма U, линия и), iiocTyn:i .i- щее на вход 21 ШШ 22 и через интегратор 23 на вход 24 ШИМ 22, Нагтр;| с- ние и выхода интегратора приведено на диаг рамме Uit.

Длительность импульсов на выходе 25 ШИМ 22 соответствует интервс1лзм времени, на которых напряжение ряс- согласования больше пилообразного напряжения /f, , а на выходе 26 1П1ТМ

22 - меньше пилообразного напряжения Иц (диаграммы U, 25 и 26). Длительность импульсов на выходе 27 22 соответствует интервалам време::л , на которых напряжение выхода интег-- ратора меньше пилообразного напряжения 1, (диаграммы U и 27).

Импульсные сигналы выходов 23-27 поступают в БИУ 31, который преобразует их по следующему алгоритму. Сигналы с выхода 25 ШИМ 22 распределяются на выходы 32 и 33 БИУ 31, а с выхода 26 - на выходы 34 и 35, причем на интервалах наличия импульса на выходе 38 БИУ 31 импульсы распреде ляются на выходы 32 и 34 БИУ 31,иначе на выходы 33 и 35. Сиг нал выхода 37 БИУ 31 соответствует, а сиг-нал выхода 36 является инверсным сигналу выхода 27 ШИМ 22 с учетом того, что сигналы выходов 25 и 26 ШИМ 22 запрещают наличие импульсных сигналов на выходах 37 и 36 БИУ 31.

Рассмотрим работу устройства в статическом режиме. На диаграмме Т (фиг , 4) показаны временные интервалы работы устройства. На диаграммах 32, 33 и 36-39 (фиг. 3) показаны сигналы соответствующих выходов БИУ 31, управляющие состоянием ключей, подключенных к ним, причем высокий уровень сигнала соответствует открытому состоянию ключа. В статическом режиме

0

0

э

работы (на интернале f., энергия на выход 8 стабилизатора поступает с выхода 7 через основной 17 и замыкающий 18 ключи и через обмотку 12 дросселя 9. На интервале времени t,- t., замкнут основной ключ 17, а замыкающий ключ 18 разомкнут. Ток протекает по цепи: вход 7, основной ключ 17. обмотка 12 дросселя 9, выход 8, H.u-pv-iKa, подключенная к выходу 8, об1т;и 1 провод 19 стабилизатора. В момент времени t основной 17 и эа- м:;|.чю1ций 18 ключи переключаются, и ток дбмотки 12 дросселя 9 замыкается через нагрузку и замыкающий ключ 18.

Вид напряжения на выходе 8 U , ток обмотки 12 1,11,„ , индукция дроссе- 71Я 9 В показаны на соответствующих диаграммах (фиг. 3 и 4). Напряжение рассогласования 11 приведено на диаграмме U)( .

ключи 3 и 4 поочередно подключают конденсаторы 5 и 6 к вхо- Jiy иен. Ключи управления 13 и 14 и I згулирования 15 и 16 разомкнуты. f чпpяжeниe на конденсаторах 5 и 6 определяются выражением

i-де

и

ч -II

fc Ни

и

(1)

И

PI.

- напряжение на входе 7 и выходе 8 стабилизатора.

идентичнь1е цепи протекают ; езначительные токи, вызванные пуль- сациями напряжения на выходе 8 ИСН.

0

5

0

5

конденсатора 6 ) {а нем и

t

и напряжение

приведены на соответствующих диаграммах (фиг. 3).

Работа схемъ в режиме наброса на- хруэки происходит следующим образом.

В момент времени t происходит увеличение тока нагрузки на величину л I (диаграмма I ). При этом скачком увеличивается ток через конденсатор 5 силовой цепи 1. Однако напряжение на выходе 8 U|, уменьшается на некоторую величину за счет падения напряжения на активных сопротивлениях идентичной цепи 1. На интервале времени напряженке на выходе 8 уменьшается из-за увеличения напряжения на конденсаторе 5, ключ 13 управления замкнут, а конденсатор 6 подключается к половине обмотки 10 дросселя 9 и, разряжаясь, отдает часть энергии в дроссель 9. За счет этого, во-первых, возрастает индукция 13 дросселя 9 на интервале

tj-t и соответственно, ток обмотки 12 на интервале ,, а, во-вторых, увеличивается ток через идентичную цепь 2 на интервале .06a фактора способствуют уменьшению напряжения рассогласования. Ток конденсатора 6 1 и напряжение на нем приведены на соответствующих временных диаграммах,

.Таким образом, ключи 13 и 14 управления подключают конденсаторы 5 и 6 к соответствующим половинам обмоток дросселя 9 на интервале отключения конденсатора 5 и 6 от входа 7 на время, пропорциональное сигналу рассогласования, что обеспечивает рост тока через обмотку 12 дросселя 9, и к моменту времени t, среднее значение тока обмотки 12 получает приращение 41л и равно новому значению тока

нагрузки. При этом напряжение на конденсаторах 5 и 6 определяется выражением (1), а ток через конденсаторы 5 и 6 близок к нулю. Относительное время включения основного ключа 17 на интервале t ti больше, чем на интервалах и из-за падения напряжения на сопротивлении первичного источника (просадки входного напряжения) . Интег-ратор 23 поз тяет обеспечить астатизм.

Работа схемы в режиме уменьшения тока нагрузки сходна с работой н режиме наброса нагрузки.

В момент уменьшения тока нагрузки ток обмотки 12 дросселя 9 остается неизменным и часть тока обмотки 12 протекает на вход 7 через идентичную цепь 1 (2) (силовой ключ 3 (4) которой замкнут). При этом напряжение на выходе 8 увеличивается за счет падения напряжения на активных сопротивлениях идентичной цепи 1 (2). Появление сигнала рассогласования вызывает включение ключей 15 и 16 регулирования, которые поочередно . подключают конденсаторы 5 и 6 к половинам соответствующих обмоток дрос седая 9, на интервалах отключения конденсаторов 5 и 6 от входа 7 на время пропорциональное сигналу рассогласования. При этом, учитывая, что основной 17 и замыкающий 18 ключи разомкнуты, энергия дросселя передается в конденсаторы 5 и 6, которые заряжаются, а индукция дросселя 9 уменьшается, что способствует уменьшению сиг нала рассогласования за счет уменьО

5

0

шения тока обмотки 12 дросселя 9 и увеличения тока идентичных депей. Через некоторое время схема переходит к статическому режиму работы.

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения и повьпиения устойчивости стабилизатора, в частности, в режиме сброса нагрузки желательно подключение параллельно выходу 8 конденса тора.

Первичный источник обладает двусторонней проводимостью и зашунтиро- ван et-жостью.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор напряжения, содержащий трехобмоточньп дроссель, основной ключ, включенный по5

0

следовательно с первой обмоткой трех- обмоточного дросселя между входной и выходной клеммами, замыкаюш 1й ключ, подключенный между общей точкой основного ключа с первой обмотки трех- обмоточного дросселя и общей шиной, широтно-импульсный модулятор с входом и выходом, узел сравнения, подключенный входом к выходной клемме и выходом к входу широтно-импульсно- го модулятора, блок импульсного управления с.двумя входами и выходами, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения КПД в динамических режимах работы, в него введены

35 интегратор, первая и вторая идентичные цепи из соединенных последовательно силового ключа и конденсатора, включенные параллельно друг другу и последовательно между входной и ходной клеммами, вторая и третья обмотки трехобмоточного дросселя подключены концами через вновь введенные первые и вторые ключи управления и ключ регулирования к точке левого ключа и конденсаторов первой и второй силовых цепей, средние точки второй и третьей обмоток трехобмоточного дросселя подключены к выходной клемме, замыкающий ключ снабжен управляющим входом, широтно-импульсный модулятор дополнительно снабжен входами и выходами, блок импульсного управления дополнительно снабжен входом и шестью выходами, интегратор, подключенный входом к выходу узла сравнен1гя и выходом к второму входу широтно-импульсного модулятора, последний тремя выходами соединен с

50

55

соответствующими входами блока импульсного управления, блок импульсного управления подсоединен выходами к управляющим входам силовых ключей первой и второй идентичных цепей,первых и вторых ключей управления и ключей регулирования, основного и замыкающего ключей, третий вход ши- ротно-импульсного модулятора подклю- чен к управляющему входу силового ключа одной из идентичных цепей, при этом широтно-импульсный модулятор выполнен на дифференциаторе, выпрямителе, генераторе пилообразного на- пряжения, усилителе и первом, втором и третьем компараторах, причем последовательно к третьему входу ши- ротно-импульсного модулятора подключены дифференциатор, выпрямитель, ге нератор пилообразного напряжения, усилитель, неинвертирующий вход усилителя подключен к общему проводу стабилизатора, а выход - к инвертирующему входу второго и неинверти- рующему входу третьего компараторов, инвертирующий вход последнего соединен с вторым входом широтно-импульс- ного модулятора, первый вход широтно импульсного модулятора присоединен к неинвертирующему входу второго компаратора и инвертирующему входу первого компаратора, неинвертирующий

вход последнего присоединен к выходу г.енератора пилообразног о напряжения, выходы первого, второго и третьего компараторов соединены соответственно с вторым, первым и третьим выходами широтно-импульсного модулятора, блок импульсного управления выполнен на генераторе, первом - шестом элементах И, элементе ИЛИ-НЕ и элементе НЕ, причем генератор прямым выходом подключен к первому выходу блока импульсного управления и первым входам первого и третьего элементов И, инверсным выходом - к второму выходу блока импульсного управления и первым входам второго и четвертого элементов И, первый вход блока импульсного управления подключен к вторым входам первого, второго элементов И и первому входу элемента РШИ-НЕ, второй вход - к вторым входам третьего и четвертого элементов И и второму входу элемента ИЛИ-НЕ, выход элемента ИЛИ-НЕ подключен к первым входам пятого и шестого элементов И, третий вход блока импульсного управления - к второму входу пятого элемента И и через элемент НЕ - к второму входу шестого элемента И, выходы первого - шестого элементов И соединены соответственно с третьим - восьмым выходами блока импульсного управления.

Изобретение относится к источникам вторичного электропитания. Целью изобретения является повышение КПД в динамических режимах работы. В статическом режиме работы силовой 17 и замыкающий 18 ключи, управляемые от широтно-импульсного модулятора 22 через блок 31 импульсного управления, совместно с обмоткой 12 дросселя 9 образуют схему понижающего стабилизатора напряжения. При этом обмотки 10 и 11 дросселя 9 совместно с ключами 13 и 14 управления и ключами 15 и 16 регулирования не влияют на работу устройства. В динамическом режиме работы ключи 13 и 14 управления и ключи 15 и 16 регулирования подключают конденсаторы 5 и 6 к обмоткам 10 и 11 дросселя 9, осуществляя тем самым отбор или подвод дополнительной энергии дросселя 9, Требуемый уровень напряжения конденсаторов 5 и 6 поддерживается за счет их подключе- )1ия через ключи 3 и 4, управляемые от блока 31 импульсного управления, между входной 7 и выходной 8 клеммами стабилизатора. 4 ил.. г (Л