ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Предполагаемая полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках вторичного электропитания.
Известен источник питания, содержащий источник переменного напряжения, выходы которого подключены к фильтру, первый и второй выходы которого подключены ко входам мостового выпрямителя, первый выход которого подключен к входу преобразователя постоянного напряжения и через диод к первому входу блока управления, к первому выходному выводу источника питания, второй выход мостового выпрямителя подключен к выходу преобразователя, ко второму входу блока управления, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя, и ко второму выходному выводу источника питания, а также накопительный конденсатор, подключенный параллельно первому и второму выходным выводам источника питания. / см. п.US №7362599, НКИ 363/89, 2009/.
Недостатком источника питания является снижение КПД и надежности его при изменении выходного напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий источник переменного напряжения подключенный к фильтру, к выходу которого подключен мостовой выпрямитель, первый выход которого подключен к первому входу корректора коэффициента мощности и к первому входу блока управления корректором коэффициента мощности, второй выход его подключен через датчик тока ко вторым входам корректора коэффициента мощности и блока управления корректором коэффициента мощности, выход последнего подключен к управляющему входу корректора коэффициента мощности, к первому и второму выходам которого подключены накопительный конденсатор и соответственно первый и второй входы преобразователя постоянного напряжения, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму выходным выводам преобразователя переменного напряжения в постоянное, при этом первый выход преобразователя постоянного напряжения подключен к первому входу блока управления преобразователем, ко второму входу которого подключен выход блока установки выходного напряжения, выход блока управления преобразователем подключен к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения, к первому входу которого подключен третий вход блока управления корректором коэффициента мощности. / см. ST_AN3233 Application note, pds «12v-150w resonant converter with synchronous rectification using L6563H, L6599A and SPK2000A. STLife angmented. 2017/.
Недостатками преобразователя переменного напряжения в постоянное являются снижение КПД и надежности его при изменении выходного напряжения на блоке установки выходного напряжения коэффициент передачи напряжения отличается от оптимального, что приводит к увеличению потерь в силовых блоках преобразователя постоянного напряжения и снижению надежности устройства в целом.
Технический результат достигается тем, что в преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий фильтр, первый и второй входы которого подключены к источнику переменного напряжения, первый и второй выходы его подключены соответственно к первым и вторым входам мостового выпрямителя, первый выход которого подключен к первым входам корректора коэффициента мощности и блока управления корректором коэффициента мощности, второй выход мостового выпрямителя через датчик тока подключен ко вторым входам корректора коэффициента мощности и блока управления корректором коэффициента мощности, выход последнего подключен к управляющему входу корректора коэффициента мощности, первый выход которого подключен к третьему входу блока управления корректором коэффициента мощности, к первой обкладке накопительного конденсатора и к первому входу преобразователя постоянного напряжения, второй выход его подключен ко второй обкладке накопительного конденсатора и ко второму входу преобразователя постоянного напряжения, первый выход которого подключен к первому входу блока управления преобразователем постоянного напряжения, ко второму выходу которого подключен выход блока установки выходного напряжения, и к первому выходному выводу преобразователя переменного напряжения в постоянное, ко второму выходному выводу которого подключен второй выход преобразователя постоянного напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу блока управления преобразователем постоянного напряжения, первый выход преобразователя постоянного напряжения подключен к четвертому входу блока управления корректором коэффициента мощности.
Анализ известных технических решений из патентной и научно-технический литературы показал, что на настоящее время предложенная полезная модель преобразователя переменного напряжения в постоянное обладает новизной.
На фиг. 1 представлен преобразователь переменного напряжения в постоянное, на фиг. 2 - функциональная схема блока 5 управления корректором коэффициента мощности.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное (фиг. 1) содержит источник 1 переменного напряжения, к выходу которого подключен фильтр 2, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам мостового выпрямителя 3, первый выход которого подключен к первым входам корректора 4 коэффициента мощности (в дальнейшем корректор) и блока 5 управления корректором, второй выход мостового выпрямителя 3 через датчик 6 тока подключен ко вторым входам корректора 4 и блока 5 управления корректором, выход последнего подключен к управляющему входу корректора 4, к первому и второму выходам которого подключен накопительный конденсатор 7 и соответственно первый и второй входы преобразователя 8 постоянного напряжения, первый выход корректора
4 подключен к третьему входу блока 5 управления, при этом первый выход преобразователя 8 постоянного напряжения подключен к первому выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, к первому входу блока 9 управления преобразователем, ко второму входу которого подключен выход блока 10 установки выходного напряжения, и к четвертому входу блока
5 управления корректором, второй выход преобразователя 8 подключен ко второму выходу преобразователя переменного напряжения в постоянное, управляющий вход преобразователя 8 постоянного напряжения подключен к выходу блока 9 управления преобразователем.
Блок 5 управления корректором (фиг. 2) содержит АЦП-микроконтроллер 11, выход которого через гальваническую развязку 12 подключен к ШИМ-микроконтроллеру 13, к выходу которого подключен RC-фильтр 14, выход фильтра 14 подключен через резистор 15 к первому входу контроллера 16 и является четвертым входом блока 5 управления корректором, второй и третий входы контроллера 16 являются соответственно первому и вторым выходами блока 5 управления корректором, четвертый вход контроллера 16 является третьим входом блока 5 управления корректором, выход контроллера 16 является выходом блока 5 управления корректором.
В качестве комплектующих элементов в преобразователе используются широко применяемые в промышленности электрорадиоэлементы. Фильтр 2 может быть выполнен на конденсаторе, мостовой выпрямитель 3 - на диодах, корректор 4 коэффициента мощности может быть выполнен на транзисторе (см. п. Jp №3872172, МКИ7 Н02М 7/217, 2008 или ж. Практическая силовая электроника, №2(34) с.2, 2009), контроллер 16 блока 5 управления корректором может быть выполнен на микросхеме L6563H, АПЦ-микроконтроллер 11 выполнен на микросхеме ATMEGA-164P-20AU, гальваническая развязка 12 может быть выполнена на оптопаре, ШИМ-микроконтроллер 13 может быть выполнен на микросхеме ATMEGA8-16AI. Преобразователь 8 постоянного напряжения может быть выполнен на транзисторах, как в прототипе, блок 9 управления преобразователем может быть выполнен на микросхеме L6563H, блок 10 установки выходного напряжения может быть выполнен как в прототипе.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.
Переменное напряжение от источника 1 поступает на вход фильтра 2, а затем на вход мостового выпрямителя 3, с выхода которого поступает на первый вход корректора 4 коэффициента мощности, задача которого состоит в формировании синусоидального входного тока, совпадающего по форме и фазе с входным переменным напряжением, и создание на накопительном конденсаторе 7 постоянного стабилизированного напряжения, которое подается на преобразователь 8 постоянного напряжения. Поскольку мощность, потребляемая от источника 1 изменяется от нуля до некого максимального значения с частотой, равной удвоенному значению частоты сети, а емкость накопительного конденсатора 7 имеет конечную величину, напряжение на конденсаторе 7 имеет заметную переменную составляющую на частоте, равной удвоенной частоте источника 1 питания. На первый и (через датчик 6 тока) второй входы блока 5 управления корректором поступает входное напряжение с выпрямителя 3, на третий вход - постоянная составляющая напряжения конденсатора 7. Эти сигналы необходимы для формирования синусоидального входного тока и стабилизации постоянной составляющей напряжения на конденсаторе 7 на постоянном уровне, не зависящим от величины нагрузки и напряжения источника 1.
Преобразователь 8 постоянного напряжения обеспечивает следующие функции:
- гальваническую развязку между входными и выходными цепями в соответствии с требованиями электробезопасности;
- поддержание выходного напряжения на требуемом уровне;
- обеспечение величины пульсации выходного напряжения в заданных допустимых пределах.
Для преобразователя 8 постоянного напряжения, независимо от примененной топологии, существует оптимальный коэффициент передачи по напряжению, при котором он может работать наиболее эффективно и с наименьшими потерями. Например, для ШИМ-преобразователей наиболее предпочтительным является режим, когда коэффициент заполнения управляющего сигнала близок к величине, равной 0,5. Для LLC-преобразователя оптимальным является режим, когда коэффициент передачи силовой части не зависит от тока нагрузки, при этом частота преобразования не зависит от величины нагрузки от максимального значения и почти до холостого хода. Чтобы преобразователи постоянного напряжения работали в таких оптимальных режимах, параметры входящих в их состав компонентов подбирают соответствующим образом, обеспечивая в номинальном режиме работы наилучшие выходные характеристики и минимальные тепловые потери в компонентах. При изменении выходного напряжения на блоке 10 установки выходного напряжения коэффициент передачи напряжения может значительно отличаться от оптимального. При этом могут ухудшиться выходные характеристики и значительно возрасти потери в силовых компонентах преобразователя 8, что заметно отражается на его КПД и снижает ресурс его работы.
Обратная связь с выхода преобразователя 8 постоянного напряжения передает информацию о величине выходного напряжения выпрямителя 3 на вход блока 5 управления корректором, который управляет силовой частью корректора 4 коэффициента мощности. Выходное напряжения преобразователя 8 поступает на вход АЦП-микроконтроллера 11, который обрабатывает полученную информацию о величине выходного напряжения и на ее основании через оптронную развязку 12 передает микроконтроллеру 13 (выполненного на основе ШИМ-преобразователя) информацию о требуемой величине коэффициента заполнения сигнала ШИМ, который формируется на выходе ШИМ-микроконтроллера 13. Установленный сигнал с необходимым коэффициентом заполнения поступает на вход сглаживающего фильтра 14, на выходе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения ШИМ. С выхода фильтра 14 через резистор 15 сигнал поступает на первый вход контроллера 16. Данный вывод является одним из входов усилителя ошибки, контролирующего напряжение на конденсаторе 7. Изменяя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала на микроконтроллере 13, можно менять величину добавки к напряжению на выходе 15 резистора и, таким образом, управлять величиной напряжения на конденсаторе 7. Пользуясь полученной информацией, блок 5 управления корректором должен поддерживать на накопительном конденсаторе 7 не фиксированное значение постоянной составляющей напряжения, а плавающую величину, следящую за величиной выходного напряжения выпрямителя 3, обеспечивая работу преобразователя 8 постоянного напряжения с коэффициентом передачи напряжения, близким к оптимальному. В данном случае коэффициент передачи преобразователя 8 будет отклоняться от оптимальной величины только для компенсации пульсаций на удвоенной частоте сетевого напряжения на конденсаторе 7.
Таким образом, введение обратной связи с выхода преобразователя 8 на вход блока 5 управления корректором коэффициента мощности позволило обеспечить работу преобразователя 8 постоянного напряжения с коэффициентом передачи напряжения, близким к оптимальному, что повышает КПД и надежность преобразователя переменного напряжения в постоянное.