ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ

Полезная модель относится к высокочастотным транзисторным преобразователям, используемым в схемах источников вторичного электропитания (ИВЭП), а более точно к устройствам для защиты от сбоев коммутируемых элементов и замагничивания трансформаторов инверторных схем. Полезная модель относится к устройствам защиты коммутируемых элементов, таких как IGBT, и других полупроводниковых элементов, использующихся в инверторных схемах. Для многих применений, в частности, для систем электроснабжения, используемых на космических аппаратах, существует необходимость в том, чтобы инверторная ступень имела малый вес и стоимость, была достаточно простой и надежной. Другое требование заключается в том, что системы электроснабжения работали на переменном токе с частотой намного более высокой, чем обычные наземные системы электроснабжения, например, 50 кГц, для дальнейшего снижения веса других элементов системы электроснабжения. Конверторы для таких систем преобразования постоянного тока в переменный ток высокой частоты достаточно сложны, и часто не имеют достаточной защиты от аварийных режимов.
В известных преобразователях (патент Японии. №449348, "Способ и устройство защиты шим-инвертора от токовой перегрузки", патент США №5175676, "Усовершенствованная защита от короткого замыкания для преобразователей постоянного тока в переменный") для защиты силовых ключей от токовой перегрузки и коротких замыканий используется датчик тока и пороговые устройства, которые либо выключают преобразователь, либо переводят его в режим ограничения тока. Однако в транзисторных силовых ключах в мостовых схемах в связи с высокой скоростью нарастания тока датчики тока и пороговые устройства не обеспечивают защиту от выхода из строя транзисторов одного плеча, если они по каким-либо причинам окажутся одновременно открытыми. Установка в плечи моста ограничивающих резисторов и дросселей снижает КПД и увеличивает габариты. При включении и выключении преобразователя переходные процессы, происходящие в реактивных элементах, могут вывести силовые ключи из строя.
Известны схемы преобразователей напряжения с защитой от перегрузок, содержащие датчик тока во входной силовой цепи и блок защиты, включенный в цепь питания блока управления конвертора (см. патенты РФ №1065996, патент РФ №2110133). Недостаток таких схем заключается в том, что при скачкообразном изменении тока, защита не успевает сработать, и по силовым ключам проходит большой ток, который может привести к сбою работы инвертора, либо даже к выходу из строя ключевых элементов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является преобразователь напряжения с защитой от перегрузки по патенту РФ №2269195, содержащий высокочастотный преобразователь, первый вход которого через датчик тока подключен к первому выводу источника питания, второй его вход подключен ко второму выводу источника питания, первый и второй выходы его подключены соответственно к первому и второму выводам первичной обмотки трансформатора, первый и второй выводы вторичной обмотки которого через последовательно соединенные выпрямитель и LC-фильтр подключены соответственно к первому и второму выходным выводам преобразователя. К первому выходному выводу преобразователя подключен первый вход узла обратной связи, второй вход которого подключен к выходу выпрямителя, выход узла обратной связи связан с первым входом блока управления. Блок управления содержит задающий генератор и формирователь управляющего сигнала, выполненный на основе широтно-импульсного модулятора. Элемент обратной связи выполнен на основе оптопары. Для предотвращения блокирования высокочастотного преобразователя при Iнаг>Imax введен транзисторный ключ, через который проходит возникший коммутационный выброс. Далее срабатывает защита, основанная на обратной связи.
Несмотря на некоторое повышение устойчивости работы при возникновении переходных процессов, схема не обеспечивает защиты ключевых элементов инвертора от скачкообразного изменения тока, в результате чего силовые транзисторы могут выйти из строя из-за ненормированного увеличения тока.
Задача полезной модели - обеспечение защиты преобразователя, который работает с относительно постоянной высокой выходной частотой, и который обеспечивает нормальную коммутацию управляемых ключевых элементов.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе напряжения с защитой от перегрузки, содержащем высокочастотный преобразователь, первый вход которого через датчик тока подключен к первому выводу источника питания, второй его вход подключен ко второму выводу источника питания, первый и второй выходы его подключены соответственно к первому и второму выводам первичной обмотки трансформатора, первый и второй выводы вторичной обмотки которого через последовательно соединенные выпрямитель и LC-фильтр подключены соответственно к первому и второму выходным выводам преобразователя напряжения, датчик тока соединен с первым входом преобразователя через дроссель токоограничения, одним концом соединенный с анодом диода, катод которого соединен с датчиком тока, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, на другой вход которого поступает напряжение задания с внешнего контроллера, а его выход связан с быстродействующим компаратором
отсечки, соединенным с блоком управления, содержащим формирователь управляющего сигнала, выполненный на основе широтно-импульсного модулятора, выходы которого подключены к управляющим входам высокочастотного преобразователя напряжения.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунком, на котором представлена схема преобразователя напряжения с защитой от токовой перегрузки.
1
Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки содержит высокочастотный преобразователь (инвертор) 1, первый вход которого соединен с первым выводом источника питания через последовательно соединенные датчик тока 2 и дроссель токоограничения 3, а второй его вход соединен непосредственно со вторым выводом источника питания. Цепь, включающая датчик тока 2 и дроссель 3 зашунтирована диодом 4, анод которого соединен с дросселем 3, а катод - с датчиком тока 2. Выходные выводы высокочастотного преобразователя соединены с первичной обмоткой 5 трансформатора 5 вторичная обмотка
2
оп
которого 5 через последовательно соединенные выпрямитель 6 и LC-фильтр 7 связана с выходными выводами преобразователя. Выход датчика тока 2 соединен с первым входом усилителя обратной связи 8, выполненного на основе операционного усилителя. Выход усилителя обратной связи 8 связан с быстродействующим компаратором отсечки 9, связанным с блоком управления 10, в состав которого входит формирователь управляющего сигнала на основе широтно-импульсного модулятора, выходы которого связаны с управляющими входами высокочастотного преобразователя 1. На другой вход компаратора 9 поступает опорное напряжение (U), являющееся напряжением для защиты по максимальному току
Устройство работает следующим образом:
1
2
оп
При подаче напряжения от источника питания, блок управления 10 начинает вырабатывать импульсы, которые поступают на управляющие входы высокочастотного преобразователя напряжения 1. По первичной обмотке 5 трансформатора начинает протекать ток, который индуцируется во вторичную обмотку 5 и через выпрямитель 6 и LC-фильтр 7 подается в нагрузку, присоединенную на выходе преобразователя. В то же время с выхода датчика тока 2, ток, преобразованный в напряжение, через операционный усилитель 8 поступает на вход быстродействующего компаратора 9, на другой вход которого поступает опорное напряжение (U).
При получении сигнала рассогласования, сигнал от компаратора 9 подается на вход блока управления 10, где преобразуется в импульсный сигнал, с помощью которого осуществляется управление преобразователем 1. При отсутствии перенапряжения на выходе компаратора 8 сигнал отсутствует. При резких коммутационных процессах, когда входной ток превышает максимально допустимый ток с высокой скоростью нарастания,
из-за наличия задержки, сигнал рассогласования с компаратора 9 может поступить на блок управления 10 с запозданием, и не обеспечить защиту от выхода из строя транзисторов высокочастотного преобразователя. В то же время в предлагаемом устройстве входной ток до его поступления на транзисторы инвертора поступает на дроссель 3, где скорость нарастания тока замедляется, примерно до величины 1а/мкс. За это время сигнал рассогласования с компаратора 9, поступающий на блок управления 10 успевает обеспечить сигнал запрета на коммутацию транзисторных ключей высокочастотного преобразователя 1. Через диод 2 напряжение на дросселе 3 спадает, как только его величина сравняется с номинальным, сигнал рассогласования исчезает, с блока управления поступает сигнал, разрешающий нормальную работу транзисторов инвертора 1. Пока не спадет аварийный ток в дросселе токоограничения, управление силовыми ключами инвертора заблокировано.
Предложенная схема защиты инвертора позволяет защитить ключевые транзисторные элементы от неправильной коммутации и выходу из строя.