СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЛОКА ПИТАНИЯ ОТ СЕТИ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ РАССЕЯНИЯ ПЕРВИЧНОЙ СТОРОНЫ
METHOD FOR OPERATION OF POWER SUPPLY UNIT FROM GRID WITH RECUPERATION OF SCATTERING ENERGY OF PRIMARY SIDE

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации блока питания от сети в качестве блокирующего трансформатора, причем в фазе накопления через первичную обмотку, находящуюся под напряжением промежуточного контура постоянного тока, магнитная энергия накапливается в сердечнике трансформатора, и в следующей за ней фазе разгрузки накопленная магнитная энергия большей частью через вторичную обмотку выводится на нагрузку, а незначительная часть магнитной энергии отдается на первичной стороне. Кроме того, изобретение относится к устройству для осуществления способа.
Блоки питания от сети широко известны. Среди них различают такие, которые работают по принципу преобразователя потока, и такие, которые работают по принципу блокирующего трансформатора. В устройствах второго типа в фазе накопления за счет протекающего через первичную обмотку трансформатора тока происходит накопление магнитной энергии. Эта энергия в последующей фазе разгрузки, после выпрямления и сглаживания, выдается в нагрузку, подключенную на вторичной стороне. Переключающий элемент, который включен последовательно с первичной обмоткой трансформатора, включается и выключается управляющим устройством в зависимости от нагрузки.
Как правило, блок питания от сети применяется, чтобы нагрузку постоянного тока подключить к сети переменного тока. При этом блок питания от сети со стороны входа подключается к сети переменного тока и на первом этапе за счет выпрямления и сглаживания формирует постоянное напряжение в промежуточном контуре постоянного тока. При включенном переключающем элементе промежуточный контур постоянного тока замыкается через первичную обмотку, и протекает ток, который вызывает магнитный поток в сердечнике трансформатора. Подведенная на этой фазе накопления электрическая энергия накапливается в виде магнитной энергии в сердечнике трансформатора. При этом необходимо учитывать так называемую индуктивность рассеяния трансформатора, которая не может быть использована для переноса энергии. Она представляет неидеальную связь между первичной и вторичной обмотками. С началом фазы разгрузки, то есть когда переключающий элемент отключается, энергия рассеяния первичной стороны обуславливает высокое напряжение рекуперации на переключающем элементе, которое может разрушить переключающий элемент. Это обстоятельство является критичным прежде всего при мощных блоках питания от сети с большими трансформаторами. Здесь энергия рассеяния первичной стороны не может просто термически рассеяться на демпфирующей схеме, а напротив, эта энергия рассеяния должна для повышения кпд вновь возвращаться в промежуточный контур постоянного тока первичной стороны.
Для ограничения напряжения рекуперации, например, согласно DE 3537536 А1, первичная обмотка снабжается отводом, который примерно соответствует максимальному импульсному соотношению. Отвод связан с конденсатором, который вновь через диод связан с опорным потенциалом. Тем самым каждая полуволна блока питания от сети жестко ограничивается нулем или опорным потенциалом, так что никакие высокие напряжения рекуперации не могут возникать.
В публикации Young R.: Stromversorgungen für SLICs, Telecomm & Elektronik, 2001, Heft 1, S.27-32 описывается решение для предотвращения слишком высокого напряжения рекуперации за счет применения демпфирующей схемы, которая размещена между первичной обмоткой и переключающим элементом. При этом посредством демпфирующего сопротивления и демпфирующего конденсатора часть энергии рассеяния первичной стороны потребляется, чтобы таким образом ограничить максимальное напряжение рекуперации и не повредить переключающий элемент. Однако за счет этого кпд энергоснабжения ухудшается.
В документе JP 11098832 описан блокирующий трансформатор, который содержит демпфирующую схему с конденсатором, диодом и вспомогательной обмоткой. Хотя здесь потери могут поддерживаться невысокими, однако для мощных блоков питания от сети ими все равно нельзя пренебрегать.
Поэтому согласно уровню техники для мощных блоков питания от сети предусмотрен разгрузочный контур на первичной стороне. Этот разгрузочный контур обуславливает то, что энергия рассеяния первичной стороны может возвращаться через разгрузочный контур на первичной стороне в промежуточный контур постоянного тока, без перегрузки переключающего элемента. В разгрузочном контуре включен диод, который предотвращает протекание обратного тока в фазе накопления.
В работе Dixon L.: Transformer and Inductor Design for Optimum Circuit Performance, Dallas 2003, Texas Instruments Incorporated, S.2-3 описан способ, при котором для рекуперации энергии рассеяния первичной стороны в промежуточный контур постоянного тока используется первичная обмотка в качестве разгрузочной обмотки. В этом устройстве (см. также фиг.1) первичная обмотка с двумя дополнительными выводами находится под напряжением промежуточного контура постоянного тока и опорным потенциалом промежуточного контура постоянного тока, причем в этих соединениях выводов включены диоды, которые обеспечивают возможность только возврата тока во время фазы разгрузки. Соединение первичной обмотки с напряжением промежуточного контура постоянного тока и опорного потенциала во время фазы накопления осуществляется через два переключающих элемента, которые синхронно включаются и выключаются посредством средства управления.
В документе US 4754385 описана подобная схема. При этом дополнительно последовательно с диодом включен конденсатор, а параллельно к нему - сопротивление. Конденсатор накапливает возвращаемую энергию во время фазы разгрузки в случае, когда напряжение промежуточного контура постоянного тока имеет флуктуации, причем напряжение промежуточного контура постоянного тока в течение нижних пиков спадает ниже напряжения, передаваемого от вторичной стороны к первичной стороне.
В документе JP 60148374 А также описан блокирующий трансформатор с первичной обмоткой, которая дополнительно через диоды приложена к напряжению промежуточного контура постоянного тока. Здесь последовательно с диодом предусмотрен конденсатор, в котором во время кратковременных фаз рекуперации накапливается энергия.
Другой известный способ рекуперации энергии рассеяния первичной стороны в промежуточном контуре постоянного тока использует дополнительную вспомогательную обмотку первичной стороны в качестве разгрузочной обмотки. Эта вспомогательная обмотка намотана рядом с первичной обмоткой, причем направление намотки для оптимальной связи является одинаковым с направлением намотки первичной обмотки, однако схема соединения противоположна первичной обмотке (см. также фиг.3). В фазе разгрузки энергия рассеяния первичной стороны возвращается через вспомогательную обмотку и диод в промежуточный контур постоянного тока.
В случае блоков питания от сети могут иметь место рабочие состояния, при которых входное напряжение и, тем самым, напряжение промежуточного контура постоянного тока спадают (например, при кратковременном отказе сети). При этом возникает проблема, заключающаяся в том, что полезная энергия вторичной стороны возвращается в промежуточный контур постоянного тока, если напряжение промежуточного контура постоянного тока ниже, чем вторичное напряжение, преобразованное в соответствии с отношением числа витков, в обмотке размагничивания. Поэтому при более низких входных напряжениях, согласно уровню техники, независимо от термических условий, применяется так называемое снижение номинальной мощности. При этом снимаемая мощность для низких входных напряжений определяется как более низкая.
Также известно, что функционирование блока питания от сети в общем случае ограничивается до более высоких минимальных входных напряжений. Диапазон с пониженными входными напряжениями, таким образом, используется не полностью, так как может привести к быстрому разрушению разгрузочного контура.
Поэтому задачей изобретения является предложить усовершенствование способа эксплуатации блоков питания от сети вышеназванного типа по сравнению с уровнем техники.
В соответствии с изобретением эта задача решается способом согласно пункту 1 формулы изобретения. При этом размагничивание осуществляется не непосредственно в промежуточный контур постоянного тока, в собственный разгрузочный контур. Отдаваемая на первичной стороне энергия при этом используется для того, чтобы в разгрузочном контуре через диод зарядить конденсатор и, таким образом, напряжение в разгрузочном контуре поддерживать выше напряжения в промежуточном контуре постоянного тока; а именно это приложенное к конденсатору напряжение разгрузочного контура поддерживается выше опорного напряжения, которое получается из вторичного напряжения, преобразованного в соответствии с отношением числа витков. Это имеет преимущество, состоящее в том, что в фазе разгрузки только энергия рассеяния первичной стороны отводится через разгрузочный контур, и в том случае, если напряжение в промежуточном контуре постоянного тока ниже, чем преобразованное вторичное напряжение или опорное напряжение. Тем самым становится возможным блок питания от сети эксплуатировать и при пониженных напряжениях промежуточного контура постоянного тока, а возможное снижение номинальной мощности сделать зависимым только от остальных термических условий в блоке питания от сети. Используемый диапазон входного напряжения также увеличивается. Кроме того, достигается лучшее использование энергии, накопленной в конденсаторах промежуточного контура постоянного тока, что ведет к заметно увеличенному времени буферизации при отказе сети. Для одинакового времени буферизации в промежуточном контуре постоянного тока может применяться соответственно меньший и более дешевый электролитический конденсатор (Elko), что приводит к снижению затрат на изготовление и уменьшению габаритов.
Другое преимущество по отношению к уровню техники состоит в том, что компоненты, через которые возвращается энергия рассеяния первичной стороны, при пониженных входных напряжениях не испытывают дополнительного нагружения частями энергии, используемой на вторичной стороне. Таким образом, эти компоненты могут конструироваться с меньшими размерами, что вновь приводит к сокращению затрат и габаритов.
Кроме того, кпд блока питания от сети при пониженных входных напряжениях повышается, и для расчета отношений числа витков трансформатора за счет изобретения обеспечиваются более значительные степени свободы.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения энергия, выдаваемая на первичной стороне, заряжает конденсатор через вспомогательную обмотку первичной стороны и диод. В фазе разгрузки энергия рассеяния первичной стороны рекуперирует, таким образом, через дополнительную, навитую рядом с первичной обмоткой вспомогательную обмотку в разгрузочный контур. Вспомогательная обмотка имеет при этом, например, то же самое число витков, что и первичная обмотка. К моменту отключения переключающего элемента к первичной обмотке приложено напряжение промежуточного контура постоянного тока (например, 300 В). За счет рекуперации энергия рассеяния первичной стороны одновременно во вспомогательной обмотке индуцируется напряжение, которое при одинаковом числе витков первичной и вспомогательной обмоток соответствует напряжению промежуточного контура постоянного тока (например, 300 В). На переключающем элементе эти напряжения затем суммируются, за счет чего это напряжение рекуперации на переключающем элементе максимально соответствует удвоенному напряжению промежуточного контура постоянного тока. Таким образом, переключающий элемент не требуется рассчитывать на более высокие напряжения.
Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что энергия, выдаваемая на первичной стороне, заряжает конденсатор через первичную обмотку и диод. Соответствующая схема включает в себя при этом два синхронно включенных переключающих элемента, причем при отключенных переключающих элементах рекуперация энергии рассеяния первичной стороны осуществляется через дополнительные подключения выводов промежуточного контура постоянного тока. Этот тип рекуперации предпочтителен прежде всего для блоков питания от сети с высокими напряжениями промежуточного контура постоянного тока, так как к моменту времени отключения напряжение на переключающих элементах соответствует всего лишь напряжению промежуточного контура постоянного тока. Могут также применяться два переключающих элемента, которые рассчитаны только на максимальное напряжение промежуточного контура постоянного тока. Эти оба переключающих элемента, как правило, при высоких напряжениях являются более дешевыми, чем переключающий элемент, который должен рассчитываться на удвоенное напряжение промежуточного контура постоянного тока.
Кроме того, предпочтительно, если напряжение конденсатора в регуляторе сравнивается с определенным максимальным напряжением, которое лежит несколько выше вторичного напряжения, преобразованного в соответствии с отношением числа витков. При достижении максимального напряжения на разгрузочном контуре устанавливается соединение между разгрузочным контуром и промежуточным контуром постоянного тока, и энергия, выдаваемая на первичной стороне через разгрузочный контур, непосредственно подводится к промежуточному контуру постоянного тока. Тем самым гарантируется, что напряжение в разгрузочном контуре всегда выше, чем вторичное напряжение, преобразованное в соответствии с отношением числа витков. За счет этого конденсатор в разгрузочном контуре не заряжается до излишне высокого уровня.
Разумеется, в регуляторе часть энергии, промежуточным образом накопленной в разгрузочном контуре, преобразуется в тепло. Эти тепловые потери, однако, существенно ниже, чем тепловые потери, возникающие в известных способах. За счет использования охлаждаемого регулятора обеспечивается преимущество, заключающееся в том, что и при более мощных блоках питания от сети можно продолжительно работать при меньших входных напряжениях.
Предпочтительное устройство для осуществления способа предусматривает, что конденсатор включен таким образом, что он посредством энергии рассеяния первичной стороны заряжается так, что приложенное к нему напряжение всегда превышает величину, равную напряжению, приложенному на вторичной стороне, умноженному на коэффициент преобразования трансформатора.
Для рекуперации энергии рассеяния первичной стороны через первичную обмотку первичная обмотка имеет первый отвод обмотки, который через переключающий элемент подключен к напряжению промежуточного контура постоянного тока и через диод соединен с опорным потенциалом. Первичная обмотка имеет второй отвод обмотки, который через другой переключающий элемент подключен к опорному напряжению и через другой диод соединен с напряжением промежуточного контура постоянного тока. Энергия, выдаваемая на первичной стороне, заряжает затем конденсатор через один из диодов.
Другой предпочтительный вариант устройства предусматривает, что вспомогательная обмотка на первичной стороне расположена таким образом, что через нее энергия, выданная на первичной стороне, заряжает конденсатор через диод. При этом в замкнутом разгрузочном контуре вспомогательная обмотка, диоды и конденсатор включены последовательно. Между диодами и конденсатором и между конденсатором и вспомогательной обмоткой находятся выводы, с помощью которых разгрузочный контур связан через регулятор с промежуточным контуром постоянного тока.
Для ограничения напряжения в разгрузочном контуре предпочтительно, если на первичной стороне предусмотрен регулятор, через который вывод конденсатора связан с промежуточным контуром постоянного тока. Регулятор может при этом выполняться как продольный регулятор или как переключающий регулятор и может простым способом рассчитываться таким образом, что в любой момент времени в разгрузочном контуре реализуется желательное минимальное встречное напряжение.
Изобретение далее поясняется на примерах со ссылками на чертежи, на которых схематично представлено следующее:
фиг.1 - блок питания от сети с рекуперацией энергии рассеяния через первичную обмотку согласно уровню техники,
фиг.2 - блок питания от сети с рекуперацией энергии рассеяния через первичную обмотку согласно изобретению,
фиг.3 - блок питания от сети с разгрузочной или вспомогательной обмоткой согласно уровню техники,
фиг.4 - блок питания от сети с разгрузочной или вспомогательной обмоткой и с регулятором, подключенным на стороне напряжения, согласно изобретению,
фиг.5 - блок питания от сети с разгрузочной или вспомогательной обмоткой и с регулятором, подключенным на стороне массы, согласно изобретению,
фиг.6 - регулятор с транзистором и диодами,
фиг.7 - регулятор с полевым транзистором.
На фиг.1 в упрощенном виде представлен блок питания от сети в качестве блокирующего трансформатора. Трансформатор 1 содержит при этом первичную обмотку 2 и вторичную обмотку 3, которые навиты встречно-параллельно. На вторичной стороне после выпрямления с помощью выпрямительного диода 9 и сглаживающего конденсатора 10 формируется выходное напряжение U2. К этому выходному напряжению U2 подключен выходной регулятор 12 напряжения, который передает сигнал регулирования через оптопару 11 на блок 5 управления для независимого от нагрузки включения и выключения обоих переключающих элементов 4 и 6. При этом блок 5 управления работает, как правило, с использованием модуляции длительности импульса, при которой мощность, передаваемая через трансформатор 1, определяется длительностью времени включения при тактовой частоте, обычно остающейся неизменной. Таковая частота при этом существенно выше, чем частота сети.
Выводы первичной обмотки 2 подсоединены параллельно переключающим элементам 4 и 6 через диоды 7 и 8 к выводам напряжения U1 промежуточного контура постоянного тока или к опорному потенциалу промежуточного контура постоянного тока. При этом диоды 7 и 8 определяют ток, протекающий в промежуточном контуре постоянного тока, таким образом, что при включенных переключающих элементах 4 и 6 ток, вызванный напряжением U1 промежуточного контура постоянного тока, протекает через первичную обмотку 2, а при отключенных переключающих элементах 4 и 6 ток, вызванный энергией рассеяния первичной стороны, возвращается через диоды 7 и 8 в промежуточный контур постоянного тока. Если напряжение U2 промежуточного контура постоянного тока спадает ниже вторичного напряжения, преобразованного в соответствии с коэффициентом трансформации трансформатора 1, то при отключенных переключающих элементах 4 и 6 во время фазы разгрузки, дополнительно к энергии рассеяния первичной стороны, в промежуточный контур постоянного тока ошибочным образом возвращается также часть полезной энергии вторичной стороны.
Эта ошибочная рекуперация предотвращается в соответствии с изобретением так, как иллюстрируется на фиг.2. При этом представленное устройство соответствует показанному на фиг.1, за исключением ветви рекуперации, с помощью которой вывод первичной обмотки 2 через диод 7 связан с регулятором 14. При этом анод диода 7 соединен с выводом обмотки, а катод диода 7 - с регулятором 14 и дополнительно с первым выводом конденсатора 13. Второй вывод конденсатора 13 связан с опорным потенциалом промежуточного контура постоянного тока. С каждым тактовым циклом блока питания от сети во время фазы разгрузки при отключенных переключающих элементах 4 и 6 энергия рассеяния первичной стороны из трансформатора 1 заряжает конденсатор 13 через диод 7. Таким образом, напряжение на конденсаторе повышается. Как только напряжение на конденсаторе 13 становится больше, чем заданное опорное напряжение, регулятор 14 переключается и разряжает конденсатор 13 на промежуточный контур постоянного тока так долго, пока напряжение на конденсаторе 13 вновь не станет меньше, чем опорное напряжение.
При этом данное опорное напряжение может определяться как минимальное противодействующее напряжение (противоЭДС), причем оно может быть простым способом предварительно определено с помощью Z-диода (полупроводникового стабилитрона) с соответствующим напряжением пробоя.
На фиг.3 показан блок питания от сети с вспомогательной обмоткой для рекуперации напряжения рассеяния первичной стороны согласно уровню техники. При этом вторичная сторона соответствует представлениям на фиг.1 и 2. Однако на первичной стороне размещен только один переключающий элемент 4, включенный последовательно с первичной обмоткой 2. Этот переключающий элемент 4 вновь включается и отключается посредством блока 5 управления.
Рядом с первичной обмоткой 2 в трансформаторе 1 размещена вспомогательная обмотка 15, а именно используемая аналогично вторичной обмотке 3 в качестве обмотки блокирующего трансформатора. Число витков первичной обмотки 2 и вспомогательной обмотки 15 обычно равно, но может выбираться также и различающимся. Вспомогательная обмотка 15 одним выводом обмотки связана через диод 7 с напряжением промежуточного контура постоянного тока, а вторым выводом обмотки - с опорным потенциалом промежуточного контура постоянного тока. Диод 7 во время фазы накопления препятствует протеканию тока через вспомогательную обмотку 15, только после отключения переключающего элемента 4 полярность напряжения из-за энергии рассеяния первичной стороны изменяется на обратную, так что ток может протекать через диод 7 в промежуточный контур постоянного тока. Если напряжение U1 промежуточного контура постоянного тока спадает ниже вторичного напряжения, преобразованного в соответствии с коэффициентом трансформации трансформатора 1, то вновь возникает проблема, заключающаяся в том, что к энергии рассеяния первичной стороны, в промежуточный контур постоянного тока ошибочным образом возвращается также часть полезной энергии вторичной стороны.
На фиг.4 показано решение, соответствующее изобретению, которое предотвращает ошибочную рекуперацию для блоков питания от сети с вспомогательной обмоткой 15. С точностью до подключения вспомогательной обмотки 15 к напряжению U1 промежуточного контура постоянного тока показанное устройство соответствует представленному на фиг.3. Вспомогательная обмотка 15 вновь размещена рядом с первичной обмоткой 2 встречно-параллельно к ней, с тем же самым числом витков. Одним выводом вспомогательная обмотка 15 соединена с опорным потенциалом промежуточного контура постоянного тока, второй вывод вспомогательной обмотки 15 соединен через диод 7 с регулятором 14. Параллельно последовательному соединению вспомогательной обмотки 15 и диода 7 включен конденсатор 13. Способ работы соответствует описанному выше со ссылкой на фиг.2, только в данном случае на каждый тактовый цикл энергия рассеяния первичной стороны вводится через вспомогательную обмотку 15 в разгрузочный контур, состоящий из вспомогательной обмотки 15, диода 7 и конденсатора 13.
Показанное на фиг.5 устройство в основном соответствует представленному на фиг.4 с той лишь разницей, что здесь регулятор 14 соединяет промежуточный контур постоянного тока и разгрузочный контур не на стороне напряжения, а на стороне массы. В качестве опорного напряжения в регуляторе (например, в качестве напряжения стабилитрона) вновь задается минимальное противодействующее напряжение, получаемое в разгрузочном контуре.
На фиг.6 показано выполнение регулятора 14 согласно представленному на фиг.5 варианту выполнения устройства в схеме с тремя выводами 16, 17 и 18. Первым выводом 18 регулятор приложен к напряжению U1 промежуточного контура постоянного тока, причем, исходя от этого вывода 18, стабилитрон 20, два сопротивления 21 и 22 и диод 23 размещены в схеме последовательно к выводу 17, посредством которого регулятор 14 соединен с опорным потенциалом промежуточного контура постоянного тока. Между вторым сопротивлением 22 и диодом 23 ответвляется вывод 16, которым регулятор 14 соединен с опорным потенциалом разгрузочного контура. В регуляторе, кроме того, предусмотрен транзистор 19, база которого соединена с ответвлением между сопротивлениями 21 и 22. К эмиттеру транзистора 19 приложен опорный потенциал разгрузочного контура, а к коллектору приложен опорный потенциал промежуточного контура постоянного тока.
Собственно функции регулирования регулятора выполняются стабилитроном 20 в качестве опорного элемента и транзистором 19 для подключения конденсатора 13 в промежуточный контур постоянного тока. Сопротивления 21 и 22 служат в качестве защитных элементов, а также для настройки транзистора 19 и для улучшения режима переключения. Диод 23 предусмотрен для стандартного случая, когда напряжение U1 промежуточного контура постоянного тока выше, чем напряжение разгрузочного контура. Тогда ток, вызванный напряжением U1 промежуточного контура постоянного тока, заряжает через диод 23 конденсатор 13. Способ работы в этом случае точно такой же, как при прямой рекуперации энергии рассеяния первичной стороны в промежуточный контур постоянного тока.
Регулятор 14 также показан на фиг.7, причем здесь транзистор 19 и диод 23 заменены на полевой транзистор (FET) 24. Способ работы соответствует при этом способу работы регулятора 14, показанного на фиг.6, так как диод 23 уже технологически встроен в полевой транзистор FET.