Управляемый ключевой преобразователь напряжения Советский патент 1993 года по МПК H02M3/335 

ел С

.Использование; вторичные стабилизированные источники питания и регуляторы напряжения. Существо изобретения: устройство содержит последовательно соединенные широтно-импульсный модулятор 1.2, ключевой регулятор, инвертор 2 и выпрямитель 3, датчик тока 6.2, пороговую схему 6.1 и 7, RC-триггер 5, ключевой элемент, интегрирующую цепь и вторую пороговую схему. Изобретение исключает перегрузки силовых каскадов при включении устройства и после срабатывания цепи защиты как при резистивной, так и:при емкостной нагрузке. При этом обеспечивается защита силовых каскадов устройства при коротком замыкании его выхода, а также при перегрузке устройства по выходу. 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве вторичных стабилизированных источников питания.

Известен преобразователь напряжения, который содержит узел плавного пуска, состоящий из интегрирующей цепи, цепи разряда, пороговую схему. Его недостатки связаны со сложностью фильтрации его выходных напряжений и невозможностью их стабилизации в условиях изменения нагрузки в широких пределах.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является управляемый ключевой преобразователь напряжения по пат. США №4190882, который содержит ключевой регулятор, состоящий из последовательно со- единенных широтно-импульсного модулятора и ключевого усилителя, инвертора и выпрямителя, причем шина питания

ключевого регулятора соединена с шиной первичного питания.

Основным недостатком устройства- прототипа является то, что перегрузка такого устройства по выходу приводит к увеличению выходного тока инвертора и, соответственно, ключевого регулятора, что может привести к выходу устройства из строя. Кроме того, если при токовой перегрузке, инвертора обеспечивается его отключение, то его повторное включение при наличии существенного уровня выходного напряжения ключевого регулятора приводит к повторной токовой перегрузке из-за емкостной нагрузки инвертора.

Таким образом, известное устройство имеет низкую надежность при работе на сильно выраженную емкостную нагрузку.

Цель изобретения - повышение надежности.

VI

00 (X

о

СЛ

Цель изобретения достигается в управляемом ключевом преобразователе, содержащем последовательно соединенные ключевой регулятор, инвертор и выпрямитель, а шина питания ключевого усилителя соединена с шиной первичного электропитания, введением пороговой схемы, RS- триггёра и схемы контроля выходного тока инвертора. Вход последней подключен k до- полнитель юму ваходу инвертора, а выход - к R-входу RS-триггера, S-вход которого соединен через пороговую схему с выходом ключевого регулятора. Выход RS-триггера подключен к входу управления ключевого регулятора, причем выход RS-триггера под- ключей к входу управления ключевого регу- лятора и дополнительному входу инвертора.

Использование новых блоков и связей позволило решить задачу плавного повторного включения инвертора при нулевом (либо весьма малом) напряжении на входной емкости ключевого регулятора, что позволило обеспечить плавный повторный запуск при последовательном соединении ключе вого регулятора и инвертора.

Благодаря такому построению управляемого ключевого преобразователя напря- жёния исключаются перегрузки его силовых каскадов при включении устройства и после срабатывания цепи защиты как при рези- стивной;так и при емкостной нагрузке. При этом обеспечивается защита силовых каскадов устройства при коротком замыкании его выхода, а также при перегрузке устройства по выходу. .

На фиг, 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведены эпюры напряжений и токов, прясняю- щие принцип его работы. Индексы токов и напряжений соответствуют номерам блоков, к выходу которых они относятся.

Устройство содержит последовательно соединенные ключевой регулятор 1, инвертор 2 и выпрямитель 3, а также шину 4 первичного питания, соединенную с шиной питания ключевого усилителя 1. Схема контроля 5 выходного тока инвертора своим входом подключена к дополнительному выходу инвертора 2, а выходом - к R-входу RS-триггера 6, S-вход которого соединен через пороговую схему 7 с выходом ключевого регулятора 1. Выход RS-триггерэ 6 подклю- чен к входу управления ключевого регулятора и входу запрета инвертора.

При включении устройства, т.е. при подаче на вход интегрирующей цепи 1,1, т.е. напряжения U, на ее выходе напряжение U 1.1 медленно нарастает, причем закон его нарастания определяется параметрами интегрирующей цепи 1.1. При этом широтно- импульсный модулятор 1.2 формирует импульсы с ШИМ, длительность которых плавно нарастает пропорционально росту

напряжения 0 1 на его входе. Эти импульсы усиливаются по мощности ключевым усилителем 1.3, на выходе которого выделяется U 1.3, пропорциональное среднему значению импульсов U 1.2 с ШИМ, и, соответственно,

0 пропорциональное напряжению U 1.1 :U 1.3 Ка U 1.1, Напряжение U 1.3 является напряжением питания инвертора 2, который при наличии на входе запрета сигнала логической единицы (U5) находится в автоколе5 бательном режиме и формирует на своем выходе, прямоугольное двухполярное напряжение U2, амплитуда которого пропорциональна его напряжению U 1.3 питания: U 1.2 К4 U 1.3, где К4 определяется коэф0 фициентом преобразования инвертора 2, т.е. коэффициентом трансформации его выходного трансформатора. Это напряжение выпрямляется выпрямителем 3 и преобразуется в однополярное медленно изменяю5 щееся напряжение U3 Кз U 1.3 -, К2 ICj U 1.1. При этом выходной ток выпрямителя 3 и, соответственно, инвертора 2 определяется импедансом нагрузки, представляющей собой, как правило, параллельно соединен0 ные конденсатор С (фильтрующий) и активную нагрузку, с эквивалентным сопротивлением R. Тогда выходной ток во время рассматриваемого переходного процесса определяется дифференциальным

5 уравнением:

,з с ШД + из

dt

R

- t/Ti

0

Учитывая, что U 1.1 U (1-е-1/4) и U3 К U 1,1, где К KzK-i, получаем соотношение:

- г , KU(1 )

13 С

t Т R Из этого соотношения можно получить

5 условие на г- постоянную времени интегрирующей цепи для того, чтобы при известных R и С во время переходного процесса выходной ток 13 не превышал его макси- .мального значения в установившемся режи0 ме 13 KU/RMMH, т.е. перегрузка по току при включении устройства (заряда конденсатора С) исключается: приравняв 13 - Тз, получим, что r RMHH С, где RMMH минимальное сопротивление нагрузки.

5 При этом 12 I3/K4, а при т RMWH С и работе устройства на нагрузку RMHH ток инвертора 2 будет во время всего переходного процесса постоянен и равен 13 (см. фиг. 2). При работе устройства на R RMHH очевидно, что в начальный момент времени 13 13,

а затем он спадет до KU/R. Таким образом, при допустимых значениях RH и выборе г Рмин С выходной ток как ключевого усилителя 1.3, так и инвертора 2 не превысит своего допустимого значения ТЗ.

При перегрузке устройства (к.з. по выходу или R Вмин) ток 12 инвертора возрастает, и напряжение U 6,2 на выходе датчика тока доходит до порога срабатывания пороговой схемы 6.1 (момент ti на фиг, 2), в результате чего импульс U 6,1 поступает на R-вход триггера 5, выходное напряже- ние U5 которого принимает нулевой уровень и запирает по входу запрета инвертор 2, а также обнуляет, посредством клю- чевого элемента 1.4, напряжение U 1,1 на выходе интегрирующей цепи 1.2. В результате этого сигнал на выходе ШИМ 1.2 исчезает, и напряжение U 1.3 на выходе ключевого усилителя медленно спадает, т.к. инвертор 2 заперт, ключевой регулятор 1 не имеет нагрузки и его выходной конденсатор разряжается через сопротивления утечек. И только после уменьшения выходного напряжения ключевого усилителя 1.3 до пренеб- режимо малой величины (t2 на фиг, 2) срабатывает пороговая схема 7 и устанавливает на выходе триггера 5 уровень лог. Г. После этого напряжение на выходе интегрирующей цепи 1.1 нарастает, а инвертор 2 начинает работать, и все процессы повторяются описанным выше порядком (см. фиг. 2 после момента t2), если перегрузка отсутствует. Если существует перегрузка, то в момент превышения током 12 допустимой величины произойдет выключение устройства описанным выше способом, и т.д.

Следует отметить необходимость включения триггера 5 только при приближении U 1.3 к нулю (а не раньше - для чего и служит пороговая схема 7), т.к. в противном случае

может произойти перегрузка инвертора 2 по току, т.к. это напряжение U 1.3, преобра- зуясь в U3 К4 U 1.3, будет приложено к разряженному конденсатору С нагрузки и создает неограниченный импульс тока заряда конденсатора, что недопустимо, т.к. нарушает логику работы устройства и приводит к значительному снижению его надежности.- :

Таким образом, в предлагаемом управляемом преобразователе напряжения полностью исключается перегрузка силовых каскадов как при включении устройства, так и после срабатывания защиты при емкостном и резистивном характере нагрузки. Это обеспечивает повышение надежности преобразователя при любых изменениях сопротивления нагрузки , что, в свою очередь, исключает необходимость применения специальных дополнительных мер по заряду конденсаторов нагрузки, существенно усложняющих силовые цепи устройства.

Формула изобретения Управляемый ключевой преобразователь напряжения, содержащий последовательно соединенные ключевой усилитель, инвертор и выпрямитель, причем шина электропитания ключевого усилителя соединена с шиной первичного электропитания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены пороговая схема, RS-триггер и схема контроля выходного тока конвертора, вход которой подключен к дополнительному выходу конвертора, а выход - к R-входу RS-триггера, S-вход которого соединен через пороговую схему с выходом ключевого усилителя, причем выход RS-триггера подключен к входу управления ключевого усилителя и входу запрета конвертора.

л Шина freflSuv- нога литания

ш

Шг

и us

1//Т&/

D