Регулируемый понижающий конвертор Советский патент 1978 года по МПК H02M3/335 H02P13/16 

значения напряжения, релейный элемент 15, интегратор Ш, задающий генератор 17 фиксированной частоты, релейный элемент 18 с датчиком напряжения 19..

Диа1раммы, приведенные на фиг. 2, характеризуют: выходные импульсы задающего генератора (U,7), напряжение на последовательной цепи преобразовательных ячеек 4-7 (). напряжение на выходе интегратора 16 (Uie). напряжение на преобразовательной ячейке 4 (U), напряжение на выходных выводах 2 (Uj). Относительная величина переменной составляющей напряжения и2 показана условно. В действительности она исчисляется долями процента и определяется параметрами элементов фильтра.

Регулирующий понижающий конвертор работает следующим образом.

С помощью преобразовательных ячеек 4-7 осуществляется преобразование постоянного напряжения в переменное прямоугольной формы, гальваническая развязка между входными и вы.ходными зажимами, а также согласование входного и выходного напряжений преобразователя. В частности, ячейки 4-7 могут быть выполнены на соединенных по мостовой схеме транзисторах 20-23 (фиг. 3) и трансформаторе 24. Коммутация транзисторов производится поочередно и непрерывно и может быть Осуществлена от внещнего или внутреннего задающего генератора, в последнем случае ячейка выполняется по схеме с самовозбуждением.

Трансформатор, содержащийся в каждой ячейке, может иметь различный коэффициент трансформации, но при пояснении принципа работы удобно считать его одинаковым для всех ячеек и равным Кт-р.

В варианте преобразователя, приведенном на фиг. 1, основным регулирующим элементом является ключ 10. Ключ 11 имеет вспомогательное назначение. Предположим, что исходное состояние ключей 10 и 11 «Выключено.

Если пренебречь короткими интервалами времени, когда происходит коммутация транзисторов 20-23 ячеек 4-7, можно считать, что цепочка последовательно соединенных ячеек потребляет чисто постоянный ток, и, следовательно, падение напряжения на дросселе 3 близко к нулю, а суммарное напряжение на ячейках 4-7 равно напряжению на выводах 1.

Рассмотрим теперь режим работы, когда в течение части периода коммутации ячеек 4-7 осуществляется замыкание ключа 10, т. е. режим щиротно-импульсного регулирования выходного напряжения преобразователя. Размыкание ключа 10 производится выходным сигналом релейного элемента 15, а отпирание - выходным импульсом задающего генератора 17.

При открытом состоянии ключа 10 интервалы U-О, и т. д. (фиг. 2), падение напряжения на ячейке 4 близко к

нулю, и в работе участвуют оставшиеся ячейки 5-7.

При закрытом состоянии ключа 10 в работе участвуют все ячейки. 5Поскольку из-за наличия индуктивности

(дроссель 3) в цепи передачи тока ток нагрузки скачком измениться не может, и кроме того, параллельно нагрузке включен конденсатор 9, то во всех рассмотренных инд тервалах напряжение на нагрузке (выводы 2) должно оставаться неизменным (пульсацией напряжения из-за ее малой величины можно пренебречь) и по амплитуде равным и 9. Следовательно, при коммутации ключа 10 будет изменяться суммарное напряжение на 5 всей цепи последовательно включенных ячеек 4-7 от значения 3U) ° Ктр (ключ 10 замкнут) до значения 4U2 Ктр (ключ 10 разомкнут, см. фиг. 2, диаграмму U4-7)При этом в интервалах с замкнутым состоянием ключа 10 амплитуда напряжения на выводах 1 будет больше напряжения и4-7, вследствие чего ток через дроссель 3 начинает возрастать, это увеличение тока используется для заряда конденсатора 9, и напряжение на нем также несколько возрастает.

При разомкнутом состоянии ключа 10 -напряжение U.,-- больше Uj, вследствие чего ток через дроссель 3 постепенно уменьшается, т. е. уменьшается ток подзаряда конденсатора 9, а следовательно, и напряжение на нем.

Уровень выходного напряжения может регулироваться изменением соотношения длительностей включенного и выключенного состояний ключа 10.

35 При использовании данного конвертора в качестве источника стабильного напряжения это может осуществляться с помощью приведенной на фиг. 1 схемы управления. В данной схеме имеется основное управляющее воздействие, которое поступает через О датчики 13, 14 мгновенных значений напряжений и интегратор 16 на релейный элемент 15, и дополнительное управляющее воздействие по цепи отрицательной обратной связи через измерительный орган 12. Дополнительное управляющее воздействие предназначено в основном для коррекции сигналов цепи управления, если они изменяются при эксплуатации, и представляет собой медленно изменяющуюся величину, которую в пределах одного периода коммутации можно считать постоянной.

Процесс стабилизации напряжения по основной цепи управления происходит в каж дом периоде коммутации ключа 10 и начинается с момента перевода его в отключенное состояние, когда выходное напряжение интегратора устанавливается равным нулю (момент времени а - фиг. 2). При этом схема управления выполнена так, чтобы выходные сигналы датчиков 13, 14 поступали на интегратор 16 в противофазе, вследствие чего выходное напряжение интегратора 16

по мгновенному значению пропорционально разности средних интегральных значений напряжений и I и и4-1 за конкретный интервал времени.

В интервале а-Т эта разность отрицательна, и ыходное напряжение интегратора 16 возрастает. С .момента времени Т импульсом и 17 включается ключ 10, указанная разность становится положительной, и выходное напряжение интегратора 16 начинает уменьшаться. В момент времени /J последнее становится равным нулю, что вызывает переключение релейного элемента 15 , выходной сигнал которого запирает ключ 10. Далее процессы повторяются.

Если изменится (например, увеличится) напряжение питания, то разность напряжений (U.-; -U|) станет .меньше,напряжение и 16 в интервале а-Т будет возрастать с меньшей скоростью (показано пунктиром). В итоге в интервале T-fi оно быстрее достигнет нулевого значения (в точке //), и, следовательно, длительность включенного состояния ключа 10 уменьшится.

Вследствие повысившегося значения входного напряжения разряд конденсатора 9 в интервале а-Т будет также происходить с меньшей скоростью (пунктир на фиг. 2 диаграмма и 2), а время ускоренного заряда его в интервале Т-/; уменьшится до величины Т-/J, вследствие чего изменится лишь амплитуда пульсации выходного напряжения преобразователя, а среднее его значение останется без изменения.

Ключ 11 начинает функционировать в тех случаях, когда напряжение на выводах 1. отклоняется от номинального значения на такую величину, при которой диапазона регулирования выходного напряжения, обеспечиваемого с помошью ключа 10 и его схемы управления, становится недостаточно для поддержания заданного значения выходного напряжения.

Если, например, напряжение на выводах 1 становится в процессе эксплуатации меньше критического значения, то это фиксируется датчиком напряжения 19, который вырабатывает команду на переключение релейного элемента 18, выходной ситна;г которого открывает ключ 11. Последний удерживается в открытом состоянии все время, напряжение на выводах 1 меньше критического значения, и снова закрывается, если пигаюшее напряжение ио вращается достаточно близко к номинально.му значению. В последнем случае элемент 18 и датчик 19 возвращаются в исходное состояние.

Для обеспечения работы преобразователя в более широком диапазоне изменения входного напряжения в схему могут быть введены дополнительные регулирующие элементы типа ключей 10, 11, которые подключаются аналогичным образом к другим ячейкам (наприМер З или 6). Часть дополнительных элементов .может функционировать в режиме широтно-импульсной модуляции, т. е

иметь схему управления, аналогичную схеме управления ключа 10. Другая часть дополнительных элементов может быть снабжена релейными устройствами типа элементов 18, 19. Последние при напряжении на выводах 1, близком к но.минально.му значению, мОгут также находиться во включенном состоянии и отключаться при болыпих отк.юнениях питающего напряжения.

Общее количество регулирующих элементов должно быть хотя бы на единицу меньше общего количества преобразовательных ячеек, с тем чтобы исключить возможность короткого замыкания всей цепи последова- тельно соединенных ячеек (при одновременном включении всех регулирующих элементов), а также чтобы осуществить непрерывную передачу энергии от входной цепи к нагрузке (хотя бы через одну из преобразовательных ячеек).

Каждая ячейка может быть выполнена

по полумостовой или по мостовой схеме (фиг. 3). Применение последней позволяет объединить в одних и тех же транзисторах функции коммутирующих элементов, инвертирующих напряжение на первичной обмотке

5 трансформатора 24 и функции регулирующих элементов типа ключей 10, 11.

Действительно, если в интервале времени, в котором включены транзисторы 20, 23, обеспечить с помощью схемы управления включенное состояние, например, транзистора 21, то в этом состоянии транзисторы 20, 21 будут выполнять роль замкнутого регу- . лирующего элемента, включенного параллельно данной ячейке. Это позволяет уменьшить количество силовых транзисторов в схеме преобразователя и повысить коэффициент их использования.

В относительно .маломощных вариантах преобразователя дроссель 3 фильтра может быть включен между выходными зажимами выпрямителей 8 и выходными выводами 2

с подключенным к ним конденсатором 9 фильтра. При этом напряжение вида будет иметь место на выходных зажимах выпрямителей 8, остальные диаграммы, как и принцип работы конвертора в целом, остаются без изменения.

Формула изобретения

1. Регулируемый понижающий конвертор, содержащий N преобразовательных ячеек с индивидуальными выпрямителями, соединенных по входу последовательно, а по выходу параллельно, сглаживающий LC-фильтр и регулирующие ключи, управляе.мые от релейных элементов, связанных с входными питающими выводами конвертора, отличающийся тем, что, с повышения КПД, указанные ключи соел :1ены непосредственно со входами Л/, преобразовательных ячеек.

где М по меньшей мере на одну ячейку меньше N.

2. Конвертор, отличающийся тем, что, с целью повышения качества стабилизации и напряжения, вход релейного элемента одних из М ячеек соединен непосредственно со входны.чи питаюшими выводами конвертора, а вход релейного элемента других М ячеек соединен с выходом интегратора, входы которого соединены с зажимами дросселя указанного фильтра и с выходом измерительного органа выходного напряжения конвертора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Устройства вторичных источников электропитания. РЭА, изд. МДНТП, 1976, с. 56.

2.Современные задачи преобразовательной техники, изд. ИЭД АН УССР, Киев, 1975, часть 2, с. 374, рис. 2.