Устройство для управления @ -фазным импульсным регулятором постоянного напряжения Советский патент 1992 года по МПК H02M7/48 

Фиг. I

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано при создании блоков питания радиоаппаратуры и регулируемых электроприводов постоян- ного тока.

Известен многофазный импульсный стабилизатор, содержащий силовой узел, выполненный в виде m параллельно включенных полупроводниковых модулей и блок управления, который включает в себя задающий генератор, широтно-импульсный модулятор и формирователь управляющих сигналов. Для формирования сигналов управления силовыми ключами полупроводниковых модулей, блок управления содержит два формирователя тактовых импульсов, формирователь строб-импульсов, источник опорного напряжения, гл триггеров, m элементов И-НЕ, универсальный т- разрядный регистр, второй т-разрядный регистр, схему сравнения и блок вспомога- тельного напряжения. Недостатком такого устройства является его относительная сложность.

Основным недостатком всех известных схем многофазных импульсных преобразо- вателей, во многом ограничивающим их применение, является возникновение низкочастотных пульсация выходного тока (напряжения) обусловленных несимметрией в управлении силовыми модулями и неиден- тичностью их параметров.

Наиболее близким по существу технического решения является многофазный им- пульсный транзисторный, регулятор (стабилизатор) постоянного напряжения, содержащий m параллельно включенных силовых модулей, выполненных по схеме однотактного прямого конвертора. Устройство для управления преобразователем со- .держит задающий генератор и m канальный распределитель импульсов, выходы которого подключены ко входам m модуляторов ширины импульсов, выходами Si,S2...,Sm соединенных с управляющими входами силовыхтранзисторовмодулейпреобразователя. Распределитель импульсов обеспечивает формирование управляющих сигналов с фазным сдвигом 2 л/т, обеспечивая попеременно открытое состояние ключей модулей преобразователя. Мо- дулятор ширины импульсов обеспечивает в соответствии с управляющим сигналом изменение относительной длительности открытого состояния ключа от 0 до 1. Преимущества многофазных преобразова- телей, как было указано, могут быть полностью реализованы только при условии симметрии в управлении силовыми модулями и идентичности параметров используемых компонентов схемы. Однако операционные усилители, обычно применяемые в схемах генераторов пилообразного напряжения модуляторов ширины импульсов, имеют значительный разброс коэффициентов усиления, величины входного сопротивления и пр. В результате, длительность выходного управляющего сигнала SiS2...Sm в каждом из каналов оказывается различной. Это приводит к ухудшению качества выходного напряжения преобразователя за счет возникновения в выходном напряжении низкочастотных пульсаций (с периодом 2 п) и, как следствие, к необходимости увеличения массо-габаритных показателей выходного фильтра.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения путем симметрирования сигналов управления силовыми модулями и улучшение массо-габаритных показателей преобразователя за счет уменьшения данных показателей выходного фильтра.

Для достижения поставленной цели предложенное устройство для управления m-фазным импульсным регулятором постоянного напряжения, как и известное, содержит задающий генератор, выходом подключенный к m-фазному распределителю импульсов и m широтно-импульсных модуляторов с выходами S-|S2...Sm имеющих общий управляющий вход. В отличие от известного, предложенное устройство снабжено m формирователями управляющих сигналов, выходы 1р- , т/Ј , ... фт которых использованы как выходные выводы и предназначены для подключения к управляющим входам силовых ключей регулятора. Одна группа входов формирователей управляющих сигналов подключена к соотзетст- па р афазным выходам 0.1,0.1,0.2,0-2...Qm.Qm m-фазного распределителя импульсов, выполненного по схеме регистра сдвига, другая группа входов - к выходам SiS2-.Sm широтно-импульсных модуляторов. Синхронизирующие входы модуляторов подключены к выходу задающего генератора. Связи между входами и выходами вышеупомянутых формирователей управляющих сигналов определяются логическим выражением

j QjSmQj+lSlQj+2S2...Qj+m-lSm-1 + +QjSmQj+lSlQj+2 S2...Qj+Ti-lSm--l, где j 1, 2...m, причем если индекс j при Q оказывается больше т, то его величина уменьшается на m с одновременной инверсией сигнала О.

На фиг.1 показана схема предложенного устройства для управления многофазным импульсным регулятором постоянного напряжения; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип формирования управляющих сигналов ключами преобразователя; на фиг.З - принципиальная схема силовой части многофазного импульсного регулятора постоянного напряжения; на фиг.4 - вариант блока широтно-импульсных модуляторов устройства; на фиг.5 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока широтно-импульсных модуляторов при различных значениях сигнала управления.

Устройство для управления многофазным импульсным регулятором постоянного напряжения (см. фиг.1) содержит задающий генератор 1, выходом подключенный к синхронизирующим входам модуляторов ширины импульсов (на схеме фиг.1 m 3) 2-4 и m-канального регистра сдвига 5, который может быть выполнен, например, на 1-К триггерах 6-8 с перекрестной связью. Пара- фазные выходы Qi,Qi...Qm,Qm триггеров 6-8 и выходы Si,S2...Sm модуляторов ширины импульсов 2-4 подключены к соответствующим входам формирователей управляющих сигналов , 1/2 ,7/Q 9-11, выходы которых использованы как выходные выводы устройства. При m 3 связи между выходами От,От..,Оз.Оз триггеров 6-8 Si.S2.S3 модуляторов ширины импульсов 2-4 и выходами VJ1 формирователей управляющих сигналов 9-11 определяются следующими

логическими вы ражениями

р Q1 SpQaSi + 01 SaQgS10382 V-2 028303810182 + 028303810182 № Q3S3QiSiQ2S2 + Q3S3QiSiQ2S2 Эти выражения полностью и однозначно определяют внутреннюю структуру формирователей управляющий импульсов 9-11. Конкретный вариант, приведенный на фиг.1 содержит четыре элемента 2И-НЕ 12-15, и элемент 4И-2ИЛИ 16. Связи между их входами и выходами определяются соответствующим вышеприведенным выражением.

В общем случае, для любого числа m каналов многофазного импульсного регулятора, структура формирователей управляющих сигналов 9-11 изменяется. Связи между его входами и выходами ip определяется следующим, справедливым для любого значениями, логическим выражением: QjSmQ j+1 SlQj+2S2...Qj+m-lSm+1 + + QjSmQH-lS lQj+2S2...Qj+m-lSm-1

причем если индекс j при Q оказывается больше, m то его величина должна быть

уменьшена на m с одновременной инверсией сигнала О.

Силовая часть многофазного импульсного преобразователя (см. фиг.З) аналогична структуре известного преобразователя. Она содержит m параллельно включенных силовых модулей, выполненных по схеме однотактного прямого конвертора, в виде m дросселей 17-19 и обратных диодов 20-22,

включенных в цепь своего регулирующего транзистора 23-25.

Одним общим выводом (точкой соединения коллекторов транзисторов 23-25) упомянутые модули подключены к первому

выводу 26 источника питания, а другим (точкой соединения дросселей 17-19), образуют выходной вывод регулятора. К выходным выводам подключен конденсатор 27 фильтра. Ко второму выводу 28 источника питаиия (являющему также вторым выходным выводом регулятора) подключены общей точкой m обратных диодов 20-22, вторыми электродами соединенных с общими точками вышеуказанных транзисторов 23-25 и

дросселей 17-19 в каждом из силовых модулей регулятора.

Модуляторы ширины импульсов 2-4 могут быть выполнены, например, по известной схеме, включающей генератор

пилообразного напряжения 29-31, выходом подключенный к одному из входов компаратора 32-34, второй вход которого соединен с источником управляющего сигнала U. На фиг.4 представлен один из возможных вариантов блока модуляторов ширины импульсов 2-4. Генераторы пилообразного напряжения 29-31 выполнены на операционных усилителях 35-37 охваченных 100% отрицательной обратной св-язью и подключенных входом через резистор 38-40 к интегрирующей цепочке из резистора 41-43 и конденсатора 44-46, шунтированного транзистором 47-49, подключенными общим входом к выходу задающего генератора 1.

Выходы операционных усилителей 35-37 являются выходами генераторов пилообразного напряжения 29-31. Заметим, что к источнику управляющего сигнала ком- паратор(50. 51) подключены одноименными

входами, а последний, m компаратор 52 - противофазным входом. Принцип формирования управляющих сигналов 1/-1 fa Y$ (Ug.lho.Un) поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.2. Так сигнал Ui с выхода задающего генератора 1 синхронизирует работу регулятора и определяет его внутреннюю (рабочую) частоту. При подаче сигнала Ui на счетный вход триггеров 6-8 распределителя импульсов 5, на

выходах переднего будут сформированы парафазные сигналы (Qi,Qi.-..QmQm) сдвинутые по фазе на угол л /т, которые поступают на соответствующие входы формирователей управляющих сигналов 9-11.

Основной особенностью работы устройства является порядок формирования выходных сигналов U2,U3,U4(SiS2...Sm} модуляторов ширины импульсов 2-4, во многомопределяющийвнешнююхарактеристику преобразователя и качество его выходного напряжения.

Очевидно, что из-за возможного разброса характеристик элементов параметры выходных сигналов U2-U4 модуляторов ширины импульсов 2-4, в общем случае не одинаковы, т.е. Si 5 82 5 Зз. При управлении многофазным импульсным преобразователем с помощью известного устройства, это приводило к возникновению низкочастотных пульсаций выходного напряжения. Предложенное устройство позволяет полностью устранить указанный недостаток даже при заведомой несимметрии параметров модуляторов ширины импульсов 2-4. Поясним сказанное. Синхронизированные общим сигналом LH с выхода задающего генератора 1, генераторы пилообразного напряжения 29-31, входящие в состав указанных модуляторов ширины импульсов 2-4 формируют на выходах синфазные напря; жекия соответствующей формы (см. фиг.5). Резисторами 38-34, которые обеспечивают изменение постоянной составляющей выходного сигнала и его амплитуды, задают максимальное значение выходного сигнала первого генератора пилообразного напряжения 29 равными минимальному значению выходного напряжения второго генератора 30. В свою очередь максимальное значение выходного напряжения второго генератора пилообразного напряжения 30 задают равным минимальному значению выходного напряжения третьего генератора 31 и т.д. Эти сигналы поступают на соответствующие входы компараторов 32-34, а на вторые их входы поступает сигнал управления.

При любом значении сигнала управления Uy на выходе только одного из компараторов 32-34 будет присутствовать сигнал переменной скважности, а на выходах всех остальных, сигнал будет равен либо нулю, либо единице. Тем самым устраняется основная причина несимметрии выходных управляющих сигналов устройства, т.к. в любой момент времени каждый сигнал

7/1 /Л . . . фт ФОРМИРУЮТСЯ НЭ ОСНОВЭНИИ

только одного сигнала Si, а его распределение по фазам (фазовый сдвиг), осуществляется при помощи узлов формирования управляющих сигналов 9-11.

Сформированные последовательности импульсов QiQi,..QmQm и Si,S2Sm поступают на входы соответствующих элементов узлов 9-11, на выходах которых после осуществления соответствующих логических операций будут получены новые последовательности импульсов , t/ЈV n onpeделяемые вышеприведенными логическими выражениями. Номер каждого элемента 12- 16 в узле 9 соответствует индексу полученной последовательности импульсов, некоторые из которых приведены на фиг.2.

В зависимости от величины управляющего сигнала U, форма выходных сигналов У Ч . ife . УЈ устройства изменяется. Это определяется видом сигналов U2-U4 модуляторов ширины импульсов (см. фиг.5). Если

сигнал управления меньше амплитуды пилообразного напряжения первого генератора 29, то выходной сигнал Si имеет вид модулированного сигнала (см. U2 на фиг.2а), сигнал $2 - имеет нулевой, а сигнал Зз (в

общем случае Sm) - положительный потенциал (см. фиг.Ба). Последовательности управляющих сигналов ip грз имеют в этом случае вид также модулированного сигнала (см. Ug на фиг.2а) сдвинутого между собой

по фазе на угол тг/гп. Если сигнал управления становится больше амплитуды пилообразного напряжения первого генератора 20, но меньше амплитуды сигнала второго генератора 30, то сигнал Si приобретает

положительный потенциал, сигнал 32 становится модулированным, а сигнал Зз остается имеющим положительный потенциал (см. фиг.56).

В результате выходные сигналы

, tp2 , трз устройства приобретают вид модулированного сигнала, относительная длительность которого изменяется от 2/т до 1/т (см. сигнал Ug на фиг.26). И, наконец, если сигнал управлений Ц,/ превысит амплитуду выходного сигнала второго генератора пилообразного напряжения 30, то сигналы Si и За становятся положительными, а сигнал Зз - модулированным, относительная длительность которого изменяется от 1 до 0.

Относительная длительность выходных сигналов t/ i ,7/2 , t/з устройства при этом изменяется от 1/т до 0 (см. Ug на фиг.2в). Очевидно, что в каждый момент времени длительность каждого из управляющих сигналов «/ч , /Ј , t/Q определяется только сигналом управления , и не зависит от параметров схем модуляторов ширины импульсов 2-4.

Сформированные последовательности управляющих сигналов ty , tfc , трз после необходимого усиления и гальванической развязки, подают на управляющие входы транзисторов 23-25, и обеспечивают фор- мирование заданного выходного напряжения преобразователя.

Как уже указывалось, многофазные импульсные преобразователи обладают рядом преимуществ, в частности, фильтрующие элементы многофазных схем существенно меньше по суммарной массе и объему по сравнению с фильтрами преобразовательных схем, построенных по традиционным структурам, при одинаковых требованиях к параметрам (качеству) выходного напряжения, условиям электромагнитной совместимости и надежности функционирования. Указанные преимущества могут быть полностью реализованы только при условии сим- метрии в управлении силовыми ячейками и идентичности параметров используемых компонентов схем. Предложенное устройство для управления m-фазным импульсным регулятором (или стабилизатором) постоян- ного напряжения, даже при заведено неодинаковых параметрах модулированных сигналов управления, обеспечивает принципиальное отсутствие низкочастотных пульсаций в выходном напряжении, обус- ловленных вышеназванными причинами.

Формула изобретения Устройство для управления т-фазным импульсным регулятором постоянного напряжения, содержащее задающий генератор, выходом подключенный к т-фазному распределителю импульсов, и m широтно- импульсных модуляторов с выходами

Si,S2Sm и с общим управляющим входом,

отличающееся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения, оно снабжено m формирователями уп- равляющих сигналов,выходы

Vi . #21рт которых использованы как

выходные выводы устройства, а входы подключены к соответствующие парафазным

выходам Ch,Qi,Q2,Q2Qm,Qm m-фэзного

распределителя импульсов, выполненного по схеме регистра сдвига, и к выходам ши- ротно-импульсных модуляторов, синхронизирующие входы которых подключены к выходу задающего генератора, связи между входами и выходами упомянутых формирователей управляющих сигналов определены ло ическим выражением

% QJSipQj lSiQj+2S21..Ql+m.lSm-1 + +QjSmQJ+lSlQJ+2S2...Qj+m-lSm-1,

где j 1 2m, причем если индекс j при Q

больше т, то его величина уменьшена на m с одновременной инверсией сигнала Q.

Сущность изобретения: устройство для управления rrt-фазным импульснь-м регулятором постоянного напряжения содержит задающий генератор 1, m широтно-импуль- сных модуляторов 2,3,4, m-фазный распределитель импульсов, m формирователей управляющих сигналов 9,10,11. 5 ил.

о ) )„

(,v Г

,i U

,57

5

- Г

-fvto- V rS4-,

ЪЧ

нР1

I

/

)

У

V

t ,)™r

bit

цЫ г

и) IJ.fSa)

U,(S)

--1.

Ut

Uz(s.,) г) U,(s,)|

bit

U, sof-ojrijri ni n.

I V

Фиг. Ь