Регулируемый понижающий конвертор

Регулируемый понижающий конвертор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

О р И С А Н И Е (втааат

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополните::ьное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12.04.76 (21) 2347646/24-07 с присоединением заявки кое (23) Приоритет у (51) М. Кл

Н 02 М 3/335

//Н 02 P 13/16

Гасударственный комитет,Совета Министров СССР ао делам изобретений н открытий (43) Опубликовано05,08.78.Бюллетень N 29 (53) УДК 621.314..58 (088.8) (45) Дата опубликования or!èñàíèrr08.08. 78,. (72) Авторы изобретения

B. П. Борисов и И. И. Колосков (71) Заявитель (54) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПОНИЖАЮЩИЙ КОНВЕРТОР

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания устройств автоматики, вычислительной техники, связи и т. п. для преобразования повышенного постоянного напряжения в низковольтное напряжение. в

Известны понижающие конверторы, содержащие несколько преобразовательных ячеек с индивидуальными выпрямителями, включенных по входу последовательно, а по выходу параллельно (1). В таких конверторах отсутствует регулирование выходного напряжения, Известны регулируемые понижающие конверторы, в которых с помощью регулирующих ключей ячейки переключаются по входной цепи с последовательного соединения на п араллельное (2) .

В таких конверторах в цепь питания ячеек включен диод, что приводит к снижению КПД конвертора.

Цель изобретения — повысить КПД путем включения регулирующих ключей непосредственно параллельно входу части преобразовательных ячеек; Для повышения качества стабилизации управление регулирующими ключами осуществляется параметрически как от входного напряжения инвертора, так и от интегрированной разности приведенных входного и выходного (напряжения на фильтрующем дросселе) напряжений и компенсационным способом путем коррекции интегратора от измерительного органа выходного напряжения конвертора.

На фиг, 1 показана структурная схема конвертора; на фиг. 2 — диаграммы основных напряжений; на фиг. 3 — пример выполнения преобразовательной ячейки.

Конвертор содержит входные выводы 1, на которые подается напряжение питания, и выходные выводы 2, к которым подключается нагрузка. К входным выводам 1 подключены соединенные последовательно дроссель 3 фильтра и преобразовательные ячейки 4 — 7 (в общем случае их количество может быть большим). Выпрямители 8, число которых равно числу преобразовательных ячеек, преобразуют выходное переменное напряжение преобразовательных ячеек в постоянное напряжение, которое сглаживается при помощи конденсатора 9 фильтра.

Выходное напряжение конвертора регулируется с помощью регулирующих ключей 10, 11. В состав схемы управления последних входят измерительный орган 12 выходного напряжения, датчики 13 и 14 мгновенного

618827 дение напряжения на ячейке 4 близко к

60 значения напряжения, релейный элемент 15, интегратор 16, задающий генератор 17 фиксированной частоты, релейный элемент 18 с датчиком напряжения 19.

Диа раммы, приведенные на фиг. 2, характеризуют: выходные импульсы задающего генератора (U>r), напряжение на последовательной цепи преобразовательных ячеек 4 — 7 (U< ), напряжение на выходе интегратора 16 (U«), напряжение на преобразовательной ячейке 4 (U ), напряжение на выходных выводах 2 (U>). Относительная величина переменной составляющей напряжения 1) показана условно. В действительности она исчисляется долями процента и определяется параметрами элементов филь- 15 тра.

Регулирующий понижающий конвертор работает следующим образом.

С помощью преобразовательных ячеек

4 — 7 осуществляется преобразование постоянного напряжения в переменное прямоуто1bной формы, гальваническая развязка между входными и выходными зажимами, а также согласование входного и выходного напряжений преобразователя. В частности, ячейки 4 — 7 могут быть выполнены на соединен- 25 ных по мостовой схеме транзисторах 20 — 23 (фиг. 3) и трансформаторе 24. Коммутация транзисторов производится поочередно и непрерывно и может быть осуществлена от внешнего или внутреннего задающего гене30 ратора, в последнем случае ячеика 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 К,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 40

«Выключено».

Если пренебречь короткими интервалами времени, когда происходит коммутация транзисторов 20 — 23 ячеек 4 — 7, можно считать. что цепочка последовательно соединен- 45 ных 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 50 в течение части периода коммутации ячеек 4 — 7 осуществляется замыкание ключа 10, т. е. режим широтно-импульсного регулирования выходного напряжения преобразователя. Размыкание ключа 10 производится

55 выходным сигналом релейного элемента 15, а отпирание — выходным импульсом задающего генератора 17.

При открытом состоянии ключа 10 интерв алы u — О, ф — Т и т. д. (фиг. 2), панулю, и в работе участвуют оставшиеся ячейки 5 — 7.

При закрытом состоянии ключа 10 в работе участвуют все ячейки.

Поскольку 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 интервалах напряжение на нагрузке (выводы 2) должно оставаться неизменным (пульсацией напряжения из-за ее малой величины можно пренебречь) и по амплитуде равным

U,. Следовательно, при коммутации ключа 10 будет изменяться суммарное напряжение на всей цепи последовательно включенных ячеек 4 — 7 от значения 311 К р (ключ 10 замкнут) до значения 4L К, (ключ 10 разомкнут, см. фиг. 2, диаграмму U4 ).

При этом в интервалах с замкнутым состоянием ключа 10 амплитуда напряжения на выводах 1 будет больше напряжения

U 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 U, 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.

При использовании данного конвертора в качестве источника стабильного напряжения это может осушествляться с помощью приведенной на фиг. 1 схемы управления.

В данной схеме имеется основное управляюшее воздействие, которое поступает через 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 управляюшее 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, чтобь выходные сигналы датчиков 13, 14 поступали на интегратор 16 в противофазе, вследствие чего выходное напряжение интегратора 16

618827

Форму.га изобретения

60 по мгновенному значению пропорционально разности средних интегральных значений напряжений U и V, > за конкретный интервал времени.

В интервале а — Т эта разность отрицательна, и выходное напряжение интегратора 16 возрастает. С момента времени Т импульсом Г, > включается ключ 10, указанная разность становится положительной, и выходное напряжение интегратора 16 начинает уменьшаться. В момент времени Р 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

U, в интервале а — Т будет возрастать с меньшей скоростью (показано пунктиром).

В итоге в интервале Т вЂ” ф оно быстрее достигнет нулевого значения (в точке Д, 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 1.> г), а время ускоренного заряда его в интервале Т вЂ” /> уменьшится до величины Т вЂ” )3, 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 диапазоны 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 сигнал которого открывает ключ 11. Последний удерживается в открытом состоянии все время, п>ч

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,5 или 6). Часть дополнительных элементов может функционировать в режиме широтно-импульсной > одуляцип. т. е

45 иметь схему управления, аналогичную схеме управления ключа 10. Другая часть дополнительных элементов может быть снабжена релейными устройствами типа элементов

1.8, 19. Последние при напряжении на выводах 1, близком к номинальному значеншо, могут также находиться во включенном состоянии и отключаться при больших îI ê.!îнениях питающего напряжения.

Общее количество регулирующих элем итов должно быть хотя бы на единицу меньше общего количества преобразовательных ячеек, с тем чтобы исключить возможность короткого замыкания всей цепи последовательно соединенных ячеек (при одновременном включении всех регулирующих элементов), а также чтобы осуществить непрерь.вную 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 трансформатора 24 и функции регулируюших 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 U. будет иметь место на выходных зажимах выпрямителей 8, остальные диаграммы, как и принцип работы конвертора в целом, остаются без изменения.

1. Регулируемый понижающий конвертор, содержащий N преобразовательных ячеек с индивидуальными выпрямителями, соединенных по входу последовательно, а по выходу параллельно, сглаживающий 1.С-фильтр и регулирующие ключи, управляемые от релейных элементов, связанных с входными питающими выводами конвертора, отлича>оигийся тем, что, с целью повышения КПД, указанные ключи сое., пены непосредственно со входами М, преобразовательных ячеек, 618827 и«

4 иг.1

Фиг. 2

2гг

Риz Ó

Составитель В. Моин

Редактор В. Фельдман

Ва каа 4 от!,-1 5

Корректор Л. Небола

11однисное

1 екрсд 0..1!уговая

Гиракк 8Ч2!!Н11ИП!4 Государстнснн го ком,:.".;:. Сги«-а Министров CC(:Ð

I10 делам иаобре1 ний и открытий

113035. Москва, Ж-,15, 1 а шская наб., д. 4/5

Филиал Г111П «П-1 гент». г. с»л ород, ул. Проектная, 4! где М по меньшей мере на одну ячейку меньЦ1Е . .

2. Конвертор, отличающийся тем, что, с целью повышения качества стабилизации и напряжения, вход релейного элемента одних из М ячеек соединен непосредственно со входными питающими 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:

5 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.