Способ широтно-импульсного регулирования резонансного преобразователя с фазовой автоподстройкой частоты коммутации
RESONANT CONVERTER WITH SWITCHING FREQUENCY AUTOMATIC PHASE TUNING WIDTH-PULSE ADJUSTMENT METHOD

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для преобразования постоянного тока одного уровня в постоянный ток другого уровня, а конкретно к способам управления этими устройствами. Изобретение применимо в источниках электропитания с выходными напряжениями от десятков вольт до сотен киловольт и выходной мощностью от единиц ватт до сотен киловатт. Источники питания, включающие в свой состав данное изобретение, могут применяться при построении систем электропитания радиопередающих устройств, рентгеновских установок, лазеров, а также зарядных устройств, сварочных аппаратов и других устройств.
Из общего уровня техники известны резонансные преобразователи постоянного тока, в частности последовательный резонансный преобразователь с подключением нагрузки последовательно резонансному LC контуру или параллельно конденсатору резонансного контура (Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: изд. Техносфера, 2005, 623 с.). Традиционно напряжение на выходе резонансных преобразователей регулируется изменением частоты переключения ключевых элементов инвертора, который может быть выполнен по схеме моста или полумоста. Для регулирования обычно используют рабочие частоты выше резонансной частоты LC контура, поскольку в данном диапазоне ключевые элементы работают в режиме «мягкой» коммутации, а именно режиме переключения при нулевых напряжениях, что обеспечивает значительное снижение динамических потерь и увеличение коэффициента полезного действия (КПД).
Основной недостаток при использовании способа управления частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) заключается в следующем: для схемы резонансного преобразователя с подключением нагрузки последовательно резонансному LC контуру - в ограниченности диапазона регулировки выходного напряжения; для схемы с подключением нагрузки параллельно конденсатору резонансного контура - в сохранении, и даже увеличении, мощности потерь при уменьшении выходного тока преобразователя, что означает низкий КПД в таких режимах работы.
Известен преобразователь напряжения и способ управления им (патент РФ №2251786), обеспечивающий снижение потерь на ключевых элементах инвертора благодаря синусоидальному характеру коммутируемого тока. В преобразователе напряжения и способе управления им в силовой цепи, содержащей последовательный LC-контур, обеспечивается поддержание устойчивого режима резонансного возбуждения синусоидального электрического тока, частота которого совпадает с тактовой рабочей частотой преобразователя.
Известно также техническое решение (патент РФ №2427068), в котором устранение упомянутых недостатков обеспечивается применением регулирования выходной мощности резонансного преобразователя на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Особенностью известного способа регулирования является применение трех режимов управления - ЧИМ, ЧИМ совместно с ШИМ и ШИМ. Режим ЧИМ + ШИМ применяется в случае малой нагрузки (под малой нагрузкой в данном случае понимается выходной ток значительно ниже номинального), а режим ШИМ - в случае холостого хода. Данное решение позволяет расширить диапазон выходных напряжений области малых нагрузок.
Недостатком известного технического решения является пороговый режим работы, что негативно сказывается на КПД при некоторых комбинациях выходного напряжения и выходного тока.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается изобретением, заключается в повышении КПД резонансного преобразователя, в частности, в увеличении КПД при работе с уровнями выходной мощности значительно ниже максимальной.
Технический результат заключается в фазовой автоподстройке частоты коммутации за счет введения обратной связи по контурному току для обеспечения нулевого сдвига по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе широтно-импульсного регулирования выходного напряжения резонансного преобразователя, включающего инвертор с ключевыми элементами и последовательный колебательный LC-контур, поддерживают заданный уровень напряжения на нагрузке резонансного преобразователя для чего измеряют текущее значение напряжения на нагрузке резонансного преобразователя и формируют сигнал постоянного напряжения, пропорциональный величине нагрузки, на основании которого с использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора обеспечивают формирование разностного сигнала по отношению к напряжению уставки, пропорциональному поддерживаемому уровню напряжения на нагрузке, формируют сигнал переменного тока, пропорционального силе тока в колебательном контуре, преобразуют сигнал переменного тока в сигнал переменного напряжения и контролируют момент перехода сигнала переменного напряжения через нуль, а в зависимости от величины разностного сигнала формируют импульсы переменной ширины с использованием ШИМ-контроллера, тактируемого генератором управляемым напряжением, которые подают на управляющие электроды ключевых приборов инвертора, при этом обеспечивают фазовую автоподстройку частоты коммутации, устанавливая частоту следования формируемых ШИМ-контроллером импульсов, тактируемым упомянутым генератором, включенным в контур фазовой автоподстройки, такой, при которой момент формирования упомянутым генератором фронта сигнала совпадает во времени с моментом перехода через нуль упомянутого сигнала переменного напряжения, пропорционального силе тока в колебательном контуре.
Изобретение использует принцип управления ЧИМ + ШИМ во всем диапазоне, что позволит получить более высокий КПД.
Одним из ключевых преимуществ резонансных преобразователей по сравнению с другими импульсными источниками питания является «мягкая» коммутация ключевых элементов, обеспечивающая уменьшение динамических потерь мощности и увеличение КПД преобразователя. В резонансном преобразователе с управлением на основе ЧИМ в диапазоне частот переключения выше резонансной частоты LC контура условия для обеспечения режима «мягкой» коммутации ключевых элементов выполняются автоматически. С другой стороны, преимущества резонансного преобразователя проявляются наилучшим образом в окрестности рабочей точки, соответствующей номинальному выходному напряжению и току, а также максимальной выходной мощности преобразователя.
Для решения поставленной технической проблемы с получением заявленного технического результата применяется управление на основе ШИМ, а также комбинированное ЧИМ + ШИМ управление. Техническая сложность реализации данных видов управления заключается в отсутствии автоматического выполнения условий обеспечения режима «мягкой» коммутации, что может привести к росту динамических потерь в ключевых элементах, уменьшению их надежности и наработки на отказ, а также непосредственно к отказу. На наличие или отсутствие режима переключения при нуле напряжения влияет комбинация факторов: частоты коммутации, ширины заполнения и выходного тока преобразователя (нагрузки). Следствием является необходимость осуществления регулировки параметров преобразователя. Система управления должна осуществлять не только регулировку выходного напряжения преобразователя по заведомо известным математическим формулам, но и «подстраивать коэффициенты» в этих формулах в зависимости от выходного тока.
Заявленное изобретение использует простой критерий наличия или отсутствия режима «мягкой» коммутации. Для обеспечения «мягкой» коммутации ключевых элементов в резонансном преобразователе с последовательным LC контуром необходимо и достаточно обеспечить запаздывание по фазе циркулирующего тока в контуре относительно сигналов управления ключевыми элементами. Увеличение частоты увеличивает разницу фаз, но также увеличивает уровень статических и динамических потерь в преобразователе. Для улучшения КПД преобразователя целесообразно обеспечить нулевой сдвиг по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления. Это также означает, что ключевые элементы должны переключаться в момент прохождения контурного тока через ноль.
Следовательно, совокупность существенных признаков, приведенная в формуле изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата и позволяет решить поставленную техническую проблему.
Заявленный способ поясняется далее со ссылкой на чертежи, где на
фиг. 1 изображена схема резонансного преобразователя с последовательным резонансным контуром и подключением нагрузки последовательно конденсатору контура;
фиг. 2 изображена схема резонансного преобразователя с последовательным резонансным контуром и подключением нагрузки параллельно конденсатору контура;
фиг. 3 изображены эпюры сигналов управления ключевыми элементами, циркулирующего в контуре тока ik и напряжения на выходе инвертора Uab при запаздывании тока ik по фазе;
фиг. 4 изображены эпюры сигналов управления ключевыми элементами, циркулирующего в контуре тока ik и напряжения на выходе инвертора Uab при опережении тока ik по фазе;
фиг. 5 изображена функциональная схема с обратной связью по контурному току, обеспечивающая реализацию заявленного способа;
фиг. 6 изображена структурная схема системы управления, обозначенная на фиг. 5 как СУ.
На чертежах использованы следующие обозначения:
V1, V2, V3, V4 - ключевые элементы;
D1, D2, D3, D4 - антипараллельные диоды;
Lp, Ср - элементы резонансного контура;
Т, Т1 - трансформатор;
ВВ - выпрямитель;
ВФ - выходной фильтр;
РчН - эквивалентное сопротивление нагрузки;
ДН - датчик напряжения;
ДТ - датчик тока;
СУ - система управления;
ZC - детектор перехода сигнала через нуль;
ФД - фазовый детектор (схема сравнения фаз);
ФНЧ - фильтр нижних частот;
ГУН - генератор управляемый напряжением;
1/2 - делитель частоты;
ШИМ - схема широтно-импульсной модуляции, ШИМ-контроллер;
ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор;
СФУС - схема формирования управляющих сигналов.
Способ широтно-импульсного регулирования выходного напряжения резонансного преобразователя реализуется следующим образом.
уст
Задача регулирования заключается в поддерживании заданного уровня напряжения на нагрузке 1 резонансного преобразователя (фиг. 5). Для реализации указанной задачи, используя датчик 2 напряжения, измеряют текущее значение напряжения на нагрузке 1 резонансного преобразователя и формируют сигнал постоянного напряжения, пропорциональный величине нагрузки. На основании указанного сигнала формируют разностный сигнал с использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора 3 (ПИД регулятора), на вход которого подают так же напряжение уставки U. Напряжение уставки выбирают пропорциональным поддерживаемому уровню напряжения на нагрузке резонансного преобразователя. Для реализации обратной связи по контурному току формируют сигнал переменного тока, пропорционального силе тока в колебательном контуре, который измеряют датчиком 4 тока, преобразуют сигнал переменного тока в сигнал переменного напряжения. Указанные операции необходимы для обеспечения возможности контроля момента перехода сигнала переменного напряжения через нуль. Далее формируют управляющий сигнал, который подают на управляющие электроды ключевых элементов 5 инвертора. Управляющий сигнал формируют с использованием ШИМ-контроллера 6, тактируемого генератором 7 управляемым напряжением (ГУН). Частоту генерации ГУН 7 устанавливают зависимости от величины разностного сигнала, сформированного с использованием ПИД регулятора 3. Фазовую автоподстройку частоты коммутации обеспечивают, устанавливая частоту следования формируемых ШИМ-контроллером 6 импульсов, который тактируется ГУН 7, включенным в контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), такой, при которой момент формирования ГУН 7 фронта сигнала совпадает во времени с моментом перехода через нуль сигнала переменного напряжения, пропорционального силе тока в колебательном контуре. Таким образом обеспечивается нулевой сдвиг по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления.
Следовательно, для реализации заявленного способа необходимо:
1) измерять циркулирующий в резонансном контуре переменный ток;
2) управлять ключевыми элементами посредством изменения частоты повторения управляющих сигналов, таким образом, чтобы момент включения ключевого элемента совпадал с моментом прохождения контурного тока через ноль.
Способ может быть реализован в устройстве включающем: инвертор, который может быть полумостовым или мостовым; резонансный контур, последовательный по отношению к выходу инвертора; датчик тока на основе любых известных физических принципах, позволяющих преобразовывать переменный ток в пропорциональный ему сигнал, удобный для обработки системой управления; нагрузка контура, включенная в контур последовательно или параллельно конденсатору контура, представляющая собой выпрямитель, фильтр низких частот и непосредственно нагрузку резонансного преобразователя; датчик напряжения на основе любых известных физических принципах, преобразующий напряжение на нагрузке резонансного преобразователя в пропорциональный ему сигнал, удобный для обработки системой управления; систему управления, функцией которой является генерация сигналов управления ключевыми элементами инвертора с целью стабилизации напряжения на выходе резонансного преобразователя, такие, что сдвиг фазы между циркулирующим в контуре током и сигналами управления ключевыми элементами был минимален.
Физическая реализация этих алгоритмических принципов осуществляется введением в систему управления контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система управления должна содержать блок, отслеживающий момент перехода циркулирующего в контуре тока через нуль, формируя на своем выходе импульсный сигнал. Полученный импульсный сигнал при необходимости преобразовывается и подается на схему сравнения фаз системы ФАПЧ. ФАПЧ включает в себя генератор управляемый напряжением (ГУН), который синтезирует сигнал, тактирующий схему ШИМ. Принцип работы ФАПЧ заключается в наличии обратной связи, подстраивающей частоту сигнала на выходе ГУН таким образом, что разница фаз между этим сигналом и входным является минимальной. Регулировка и стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью принципов ШИМ-управления, а система ФАПЧ стремится установить минимальную рабочую частоту, при которой все еще обеспечивается режим «мягкой» коммутации.
Данные принципы управления применимы и для известных топологий резонансных преобразователей более высокого порядка, таких как LCC, LLC, LLCC и других топологий, включающих в себя хотя бы один индуктивный элемент, соединенный последовательно с нагрузкой относительно выхода инвертора.
Показанные фиг. 1 и 2 известные схемы резонансных преобразователей с последовательным резонансным контуром и подключением нагрузки последовательно (фиг. 1) и параллельно конденсатору контура (фиг. 2) приведены для пояснения. Выпрямитель ВВ может быть выполнен по мостовой схеме, схеме удвоителя тока, или другой. Выходной фильтр ВФ может быть емкостным, индуктивно-емкостным, или выполненным по более сложной схеме. Выбор схемы выпрямителя и выходного фильтра с точки зрения заявляемого изобретения не является существенным. На фиг. 3 показан случай запаздывания тока ik по фазе и выполнения условий мягкого переключения; на фиг. 4 - случай опережения тока ik по фазе. Характерное изменение формы Uab выявляет отсутствие мягкого переключения. Это нежелательный (в крайнем случае - аварийный) режим работы.
Функциональная схема, приведенная на фиг. 5 иллюстрирует отличие, реализованное в изобретении, заключающееся в использовании датчика 4 циркулирующего тока (ДТ), сигнал которого поступает на систему управления 9 (СУ), т.е. наличие обратной связи по контурному току. Измерение контурного тока может осуществляться, к примеру, с помощью трансформатора тока и не составляет практической сложности на настоящем уровне техники.
Возможность регулировки и стабилизации выходного напряжения резонансного преобразователя путем изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала (ШИМ) и частоты повторения управляющего сигнала (ЧИМ) является известной. С точки зрения улучшения КПД желательно, чтобы коэффициент заполнения и частота повторения были как можно меньше, однако некоторые их комбинации приводят к утрате важного полезного свойства традиционного резонансного преобразователя - «мягкой» коммутации.
Способ регулирования позволяет автоматически выбирать минимальную рабочую частоту и коэффициент заполнения, при которых все еще выполняются условия обеспечения «мягкой» коммутации ключевых элементов. Критерием предлагается считать наличие запаздывания циркулирующего в контуре тока относительно сигналов управления ключевыми элементами.
Пояснение принципа работы удобнее начать с описания работы резонансного преобразователя, собранного по схеме на фиг. 2. На фиг. 3 и 4 показаны эпюры работы резонансного преобразователя, собранного по схеме на фиг. 2, причем на эпюрах, обозначенных буквой «a)» (фиг. 3, 4) показаны противофазные сигналы управления ключевыми элементами 5 резонансного преобразователя. Ключевые элементы 5 управляются попарно противофазными сигналами, так что одновременно открыты или ключи (ключевые элементы) V1, V4, или V2, V3 на фиг. 2. На эпюрах, обозначенных буквой «b)» (фиг. 3 и 4), показаны циркулирующий в контуре ток ik и напряжение на выходе инвертора Uab. Хорошо видно, что на фиг. 3 контурный ток переходит через нуль немного позже фронта сигнала включения, что обеспечивает наличие режима переключения при нулевом напряжении. На фиг. 4 контурный ток переходит через нуль немного раньше фронта сигнала включения, что приводит к специфическому искажению формы Uab, означающему отсутствие режима переключения при нулевом напряжении. Таким образом, очевидна принципиальная возможность как качественного определения, работает ли резонансный преобразователь в режиме «мягкой» коммутации, так и количественного определения, в частности насколько допустимо уменьшить запаздывание контурного тока по фазе относительно управляющих сигналов.
Измерение контурного тока может осуществляться, к примеру, с помощью трансформатора тока и не составляет практической сложности на настоящем уровне техники.
Входными сигналами системы управления 9 является сигнал с датчика 2 напряжения Uос, пропорциональный напряжению на выходе преобразователя, а также сигнал с датчика 4 тока ik, пропорциональный циркулирующему в контуре току. Согласно заявленному способу, система управления должна отслеживать момент перехода контурного тока ik через нуль. На фиг. 6 детектор 10 перехода сигнала через нуль, обозначенный как ZC, формирует на своем выходе импульсный сигнал, фронты которого совпадают с моментами перехода входного сигнала через нуль. Физическая реализация такого устройства известна и может быть выполнена как в аналоговом, так и в цифровом виде. Среди аналоговых вариантов широко известно исполнение на основе операционного компаратора.
Полученный с детектора 10 сигнал поступает на систему фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ 8. ФАПЧ представляет собой систему с обратной связью, автоматически подстраивающую частоту на своем выходе так, чтобы фаза сигнала на входе и на выходе ФАПЧ совпадали. Поскольку запаздывание контурного тока по фазе зависит помимо прочих факторов от рабочей частоты, то существует возможность подбора рабочей частоты, так чтобы это запаздывание отсутствовало, вне зависимости от комбинации других факторов. С точки зрения теории автоматического управления ФАПЧ является классическим решением задач такого типа. Детальные принципы работы ФАПЧ и техническая реализация известны специалистам.
Поскольку ФАПЧ уже включает в себя генератор 7 управляемый напряжением (ГУН), то целесообразно использовать данный ГУН для тактирования схемы ШИМ (ШИМ-контроллера). В настоящее время существуют интегральные микросхемы ШИМ, также известные как ШИМ-контроллеры, с возможностью внешнего тактирования. Комбинация ГУН и такого ШИМ-контроллера позволяет генерировать импульсные сигналы с управляемым коэффициентом заполнения и частотой.
Регулирование и стабилизация выходного напряжения осуществляется путем изменения частоты следования управляющих импульсов. Пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 3 сравнивает сигнал обратной связи Uос и опорный сигнал Uуст, после чего выдает разностный сигнал (сигнал рассогласования) на схему ШИМ 6 (ШИМ-контроллер). Принципы работы и физическая реализация ПИД-регуляторов являются широко известными.
Указанная последовательность действий, реализованная в устройстве, схема которого приведена на фиг. 5 обеспечивает регулирование широтно-импульсное регулирование выходного напряжения резонансного преобразователя посредством формирования сигналов управления переменной частоты (частоты коммутации), которые подаются на управляющие электроды ключевых элементов 5 инвертора. Причем для повышения КПД резонансного преобразователя обеспечивается фазовая автоподстройка частоты коммутации за счет введения обратной связи по контурному току для обеспечения нулевого сдвига по фазе между циркулирующим в контуре током и сигналами управления.