Многозвенный импульсный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1990 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании стабилизированных источников напряжения постоянного тока.

Цель изобретения - расширение функ циональных возможностей многозвенного импульсного стабилизатора за счет обеспечения возможности питания силовых ячеек от гальванически несвязанных источников, а также повышение качества выходного напряжения за счет исключения ложных срабатываний компаратора до полного разряда дросселя силовой ячейки в нагрузку и нарушения порядка и равномерности работы силовых ячеек во времени

На чертеже представлена структурная схема многозвенного импульсного стабилизатора постоянного напряжения.

Стабилизатор содержит N силовых

ячеек 1, выходом подключенных к общему сглаживающему фильтру 2, и выходному выводу, к которому подключена нагрузка 3, усилитель 4 обратной связи, входами соединенный с выходным выводом и нагрузкой 3, а также источнико 5 опорного напряжения. Каждая силовая ячейка состоит из однотактного преобразователя, включенного между ее входом и выходом и образованного силовым ключом 6, силовым диодом 7 и многообмоточным дросселем 8, широтно-импульсного модулятора 9„ выходом соединен- ного с управляющим входом силового ключа 6, а управляющим входом - с вы- ходом усилителя 4 обратной связи, компаратора 10, выход которого соединен с синхронизирующим входом широтно-импульсного модулятора 9, а один

„

5

0

с

из входов - с параллельно включенными первым конденсатором 11 и первым резистором 12, первого диода 13, соединенного с обмоткой дросселя 8, второго диода 14, первого ключа 15, выход которого соединен с первым конденсатором 11 и первым резистором 12, второго конденсатора 16 и второго резистора 17, соединенных с другим входом компаратора 10, второго 18, источника вспомогательного напряжения U6cn, используемого для питания элементов силовой ячейки 1 и образованного третьим диодом 19 и третьим конденсатором 20, выходом соединенного с входом первого ключа 15. Задающий генератор 21 является общим для всех силовых ячеек. Кроме того, каждая силовая ячейка 1 содержит первый и второй оптроны 22 и 23, выходные выходы первого оптрона 22 соединены с выхо- дом источника вспомогательного напряжения UBctl , образованного третьим диодом 19 и третьим конденсатором 20, и входом компаратора 10, к которому подключены конденсатор 16 и резистор 17, логический элемент ИЛИ 24, первый вход которого соединен через первый диод 13 с обмоткой,дросселя 8, второй вход логического элемента ИЛИ 24 соединен с выходом широтно-импульсного модуг; лятора 9, прямой выход логического элемента ИЛИ 24 соединен с управляющим входом первого логического элемента ИЛИ 24 соединен с управляющим входом первого ключа 15, а его инверсный выход соединен через элемент 25 задержки с управляющим входом второго ключа 18, включенного между вход515

ным выводом второго онтрона 23 и первым выводом второго диода 14, вторым выходом соединенного с общей точкой обмотки дросселя 8 и первого диода 13. Триггер 26 является общим для всех силовых лчеек 1, выход его соединен с входами первых оптронов 22 каждой силовой ячейки 1, установочный вход О - с выходами вторых опт- ронов 23 каждой силовой ячейки 1, а установочный вход 1 - с выходом за.- дающего генератора 21,

Многозвенный импульсный стабилизатор постоянного напряжения работает следующим образом.

По,сле подачи напряжений питания на силовые ячейки, а также на задающий генератор 21 и триггер 26, который установится в состояние 1 сигналами задающего генератора 21, зажгутся светодиоды первых оптронов 22 и на втором конденсаторе 16 каждой силовой ячейки 1 появится сигнал и сработает один или несколько из компараторов 10, те, у которых неизбежный разброс параметров обеспечит наименьший уровень срабатывания. Выходной сигнал компаратора 10 запускает широтно-им- пульсньш модулятор 9, который гене- рирует импульс, включающий силовой ключ 6, при этом дроссель 8 начинает накопление энергии, а на его обмотке появляется сигнал, который через ВТОРОЙ ДИОД 14 И ОТКРЫТЫЙ ВТОРОЙ

ключ 18 зажигает второй оптрон 23 и устанавливает триггер 26 в состояние О, при этом первые оптроны 22 гаснут, а вторые конденсаторы 16 разряжаются через вторые резисторы 17. Одновременно сигнал с выхода широтно- импульсного модулятора 9, проходя через логический элемент ИЛИ 24 на его выходы и затем на первый ключ 15, а также через элемент 25 задержки на второй ключ 18, выключает последний и обеспечивает через включенный первый ключ 15 заряд первого конденсатора 11 до напряжения UBcn вспомогательного источника питания, которое в мр- мент пуска берется от какого-либо внешнего источника, так как это традиционно делается в устройствах подобного типа. Высокое напряжение на первом конденсаторе 11 и соответствующем входе компаратора 10 поднимает порог его срабатывания и делает нечувствительным к следующим импульсам синхронизации с выхода задающего

546

генератора 21, которые приводят к повторению процесса и включению других силовых ячеек 1, По окончании импульса, генерируемого широтно-импульс- ным модулятором 9, в одной из силовых ячеек 1 силовой ключ 6 выключается и начинается разряд дросселя 8 через силовой диод 7 на сглаживающий фильтр 2 и нагрузку 3. Выходное напряжение сравнивается усилителем 4 обратной связи с опорным напряжением источника 5 и сигнал рассогласования поступает на управляющие входы широтйо-импульс- ных модуляторов 9, управляя их работой. В момент разряда дросселя 8 появляется напряжение на выходе источника вспомогательного напряжения на третьем диоде 19 и третьем конденса- оре 20, а также через первый диод 13 сигнал с обмотки дросселя поступает на логический элемент 24, обеспечивая поддержание высокого напряжения на первом конденсаторе 11 и не7 чувствительность компаратора 10 к чужим синхроимпульсам, а также выключенное состояние второго ключа 18, это гарантирует, что силовая ячейка 1, не закончившая полный такт работы, включающий в себя заряд и разряд дросселя 8, не погасит синхроимпульсы на выходе триггера 26 и не нарушит работу всего стабилизатора. По окончании разрядки дросселя 8 напряжение на его обмотках упадет до нуля, ключ 15 выключится, а ключ 18 включится, при этом ячейка 1 вновь может принять и погасить синхроимпульс с выхода триггера 26. Первый конденсатор 11 начинает разряжаться через первый резистор 12, а напряжение на нем падает. При достижении равенства этого напряжения с напряжением синхроимпульса на втором конденсаторе 16 компаратор 10 сработает и вновь запустит силовую ячейку 1. Очевидно, что у нескольких силовых ячеек 1, отработавших предыдущий такт и готовых к следующему, включится та, которая имеет меньшее напряжение на первом конденсаторе И, т.е..та, которая дольше всех находится в со- ( стоянии готовности. Благодаря тому, что длительность- такта зависит как от разброса параметров элементов ячейки, так и от величины выходного напряжения в момент разряда дросселя $, то при пуске, когда выходное напряжение изменяется, усиливается дифферент

Ч1ИЯ ячеек 1 , что облегчает и ускоряет процесс установления порядка работы силовых ячеек 1. Кроме того, н стаби- .Тшзаторе состязательность между ячейками 1 имеет место только для тех из |шх, которые полностью отработали предыдущий такт и готовы к следующему, а в известном стабилизаторе между теми ячейками, в которых окончился Импульс гаиротно-импульсного модулятора. Поэтому в предлагаемом устройстве Состязается меньше ячеек, чем в известном и, следовательно, улучщают- ся условия для определения, какая из чеек должна сработать первой, и уменьшается вероятность одновременного срабатывания двух. Важно и то, что все состязующиеся ячейки 1 готовы к работе и нарушение порядка работы между ними не приводит к об- лщему сбою всего стабилизатора, что .может иметь место в известном устрой- 1стве, Эти обстоятельства повышают качество выходного напряжения,, посколь- ку исключаются сбои, а следовательно, и возмущения выходногс напряжения Ее ли, все же, произойдет нарушение порядка работы ячеек 1, то это никак не

5

5

0

ряд дросселей на нагрузку и не готовы к очередному запуску

Технико-экономическая эффективность от внедрения многозвенного импульсного стабилизатора постоянного напряжения заключается в том, что сумматоры электрической мощности, построенные на его основе, обладают более высокими удельными характеристиками по сравне«- нию с работающими на общую нагрузку раздельными импульсными стабилизаторами, питающимися от разных первичных источников. Повышение удельных характеристик обусловлено многофазным характером работы устройства, позволяющим резко снизить вес и габариты сглаживающего фильтра. Количественно это повышение составляет до 30% на вторичный источник питания мощностью 200 Вт с четырьмя ячейками, работающий от двух первичных независимых сетей о При большей мощности и большем числе первичных источников электроэнергии выигрыш еще более возрастает.

Кроме этого, стабилизатор может быть использован для создания вторичных источников питания при последовательном соединении силовых ячеек, что

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании стабилизированных источников напряжения постоянного тока. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение качества выходного напряжения. Цель достигается за счет обеспечения возможности питания силовых ячеек 1 от гальванически несвязанных источников и выполнения таким образом стабилизатором функции сумматора мощности, а также за счет исключения срабатывания компаратора 10 до полного разряда дросселя 8 силовой ячейки 1 в нагрузку 3 и нарушения порядка и равномерности работы силовых ячеек 1 во времени. Оптроны 22 и 23 гальванически развязывают силовые ячейки 1 от общего для них задающего генератора /ЗГ/ 21. Гашение синхроимпульсов с выхода ЗГ 21 производится триггером 26 по сигналу от одного из оптронов 23. Логический элемент ИЛИ 24 обеспечивает включенное состояние ключа 15, невозможность срабатывания компаратора 10 во время импульса с выхода широтно-импульсного модулятора 9 и во время разряда дросселя 8 на нагрузку 3 до полного его окончания. При этом ключ 18 размыкает входную цепь оптрона 23, не позволяя ему погасить "чужой" синхроимпульс от ЗГ. 21 Таким образом полностью исключается возможность ложных срабатываний компаратора 10. 1 ил.

отразится на выходном напряжении, по- о бывает необходимо, если первичный нескольку условие один синхроимпульс - одно срабатывание одной силовой ячейки не будет нарушен.

При отказе отдельной силовой ячейки 1 исчезнет напряжение на обмотке дросселя 8 этой ячейки и исчезнет сигнал, проходящий через второй диод 14, второй ключ 18 и второй оптрон 23 и гасящий синхроимпульс на выходе

35

точник имеет высокое напряжение. В этом случае выигрыш достигается за счет возможности применения низко - вольтной элементной базы с соответственно большим быстродействием, что позволяет поднять частоту коммутации и снизить вес и габариты силовых реактивных элементов.

Исключение возможности сбоя в равномерности работы.силовых ячеек и соответственно возмущений выходного напряжения позволяют снять со сглаживающего фильтра функцию подавления таких возмущений и повысить надежность 45 питаемой аппаратуры Особенно актуально это при питании цифровых устройств с импульсным характером потребления тока, что может явиться причиной сбоя порядка работы силовых ячетриггера 26. Этот импульс достанется другой силовой ячейке 1, тоже готовой к работе с Равномерность работы исправных ячеек 1 сохранится, но сократится длительность бестоковой паузы, когда ячейка 1 ждет очередного синхроимпульса, и увеличится частота ее переключений.

Таким образом, в стабилизаторе

всегда сохраняется равномерность рабо-.,, ек в известном стабилизаторе, - кототы исправных силовых ячеек 1, но при этом не требуется гальваническая связь ячеек I между собой и их можно ч питать от разных первичных источников Е , Стабилизатор в этом случае выполняет функцию сумматора мощности. Кроме того, исключается возможность повторного, ложного запуска тех силовых ячеек, которые еще не закончили разрый вызовет и сбой питаемой аппаратуры, а также при работе в условиях сильных возмущений в первичной сети, например, в энергосистемах автономных объектов о

Формула изобретения

Многозвенный импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содербывает необходимо, если первичный не

точник имеет высокое напряжение. В этом случае выигрыш достигается за счет возможности применения низко - вольтной элементной базы с соответственно большим быстродействием, что позволяет поднять частоту коммутации и снизить вес и габариты силовых реактивных элементов.

Исключение возможности сбоя в равномерности работы.силовых ячеек и соответственно возмущений выходного напряжения позволяют снять со сглаживающего фильтра функцию подавления таких возмущений и повысить надежность питаемой аппаратуры Особенно актуально это при питании цифровых устройств с импульсным характером потребления тока, что может явиться причиной сбоя порядка работы силовых яче

рый вызовет и сбой питаемой аппаратуры, а также при работе в условиях сильных возмущений в первичной сети, например, в энергосистемах автономных объектов о

Формула изобретения

Многозвенный импульсный стабилизатор постоянного напряжения, содер915

жащий N силовых ячеек, выходом под ключенных к общему сглаживающему фильтру и выходному выводу, усилитель обратной свягзи, входами соединенный с выходными выводом и источником опор ного напряжения, задающий генератор, первые конденсатор и резистор, причем каждая силовая ячейка состоит из однократного преобразователя, вклю- ченного между ее входом и выходом и включающего в себя силовой ключ, силовой диод и дроссель, широтно-им- пульсного модулятора, управляющий вход которого соединен с выходом уси- лителя обратной связи, а выход - с управляющим входом силового ключа, компаратора, выход которого соединен с синхронизирующим входом широтно-им- пульсного модулятора, а первый вход - с параллельно включенными вторыми конденсатором и резистором, первого диода, первым выводом соединенного с Обмоткой дросселя, второго диода, первого ключа, выход которого соеди- йен с вторым входом компаратора, источника вспомогательного напряжения, о тличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возмож- ности питания силовых ячеек от гальванически несвязанных источников, а также повышения качества выходного напряжения за счет исключения ложных срабатываний компараторов и нарушения порядка и равномерности работы

5410

вых ячеек во времени в него введен триггер, а каждая силовая ячейка снабжена первым и вторым оптронами, вторым ключом, элементом задержки и логическим элементов ИЛИ, кроме то- го, источник вспомогательного иапряжения выходом подключен к входу первого ключа, а входом - к обмотке дросселя, причем выходные выводы первого оптрона соединены с выходом источника вспомогательного напряжения и первым входом компаратора, первый вход логического элемента ИЛИ соединен с вторым выводом первого диода, второй вход - с выходом широтно-им- пульсного модулятора, прямой выход - с управляющим входом первого ключа, а инверсный выход через элемент задержки - с управляющим входом второг ключа, силовые выводы которого подключены к входному выводу втррого оптрона и к первому выводу второго диода, второй вывод которого соединен с общей точкой дросселя и первого диода при этом первые конденсатор и резистор введены в каждую силовую ячейку, соединены параллельно и подключены к второму входу компаратора, выход триггера соединен с входом первого оптрона каждой силовой ячейки, установочный вход О - с выходом рторого оптрона каждой силовой ячейки, а установочный вход I - с выходом задающего генератора.