Конструкция блока питания с цифровым управлением

Полезная модель относится к области вторичных источников электропитания, в частности к импульсным блокам питания, применение которых осуществляется в конструкции зарядных станций для автомобилей с электрическим или гибридным типом двигателя. Назначением данного блока является преобразование переменного сетевого напряжения в постоянное напряжение требуемой величины.
Известны импульсные стабилизаторы тока, предназначенные для преобразования входного постоянного напряжения в высокочастотный переменный ток, который трансформируется в напряжение нужного уровня и выпрямляется. Достоинством данных стабилизаторов является высокий КПД, который может превышать значение в 90% при правильном проектировании. Благодаря этому отпадает необходимость использовать большие радиаторы, тем самым снижаются габариты изделия. Также большинство импульсных стабилизаторов используют в своей конструкции широтно-импульсные преобразователи, которые регулируют скважность выходных импульсов.
Недостатком данных стабилизаторов является необходимость использования конденсаторов большой емкости на выходе импульсного стабилизатора для снижения пульсаций и достижения требуемой стабильности его выходного тока.
Известно устройство многоканального импульсного стабилизатора тока, Патент РФ №2624635, содержащее блок управления, устройство обратной связи и N параллельно включенных импульсных стабилизаторов тока. Принцип работы данного устройства заключается в том, что фазы ШИМ-сигналов управления каналами сдвинуты относительно друг друга на 2π/N. Емкость выходного конденсатора стабилизатора выбирается минимальной, и при этом длительность четверти периода LC-фильтра должна быть меньше максимально допустимой длительности переднего фронта входного импульса. Это позволяет добиться заметного снижения пульсации выходного тока без использования конденсаторов большой емкости на выходе стабилизатора, поскольку пульсации на выходах стабилизатора идут в противофазе и частично компенсируются.
Недостатками данного устройства является сложность схемы, и наличие множества резонансных контуров, понижающих помехоустойчивость работы стабилизатора.
Известен импульсный высокоточный стабилизатор тока, Патент РФ №2420853. Данный импульсный высокоточный стабилизатор тока по техническим характеристикам является наиболее близким к заявляемому устройству и выбран в качестве наиболее близкого аналога. Способ стабилизации тока заключается в том, что с помощью шунта измеряют текущее значение тока непосредственно в цепи нагрузки, оцифровывают его и сохраняют в памяти микроконтроллера. Далее, программным способом вычисляют скважность ШИМ-сигнала одновременно по последовательности сохраненных значений и заданному значению тока, и после этого формируют ШИМ-сигнал управления инвертором, а затем выпрямляют и сглаживают выходной ток инвертора. Известный импульсный высокоточный стабилизатор тока обладает малой погрешностью (не более 0,02%) стабилизации тока, протекающего через нагрузку без предварительной трансформации, и возможностью регулирования тока в широком диапазоне значений от 1 до 25 А.
Недостатками данного устройства являются сложность схемы и, следовательно, большие габариты и невысокая надежность работы из-за применения большого количества полупроводниковых элементов, а также отсутствие импульсного развязывающего трансформатора, что приводит к наличию непосредственной гальванической связи между входным и выходным шинами питания и снижает помехоустойчивость работы стабилизатора. У данного устройства отсутствует возможность параллельного включения нескольких таких же устройств, что существенно ограничивает возможности, связанные с изменением выходных параметров.
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - создание импульсного блока питания с цифровым управлением, входящего в конструкцию зарядной станции для автомобилей с электрическим или гибридным типом двигателя, с возможностью параллельного включения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в импульсном блоке питания с цифровым управлением (Фиг.1), содержащем прямоугольный корпус (7), в боковых частях которого расположены разъемы для подключения входа (4) и выхода (5) блока питания, разъемы для подключения цифровой части (2) и интерфейса I2C (3), а также разъем для возможности параллельного включения нескольких импульсных блоков питания (6). Корпус блока предусматривает систему охлаждения (1) для предотвращения перегрева компонентов, в частности ключевых транзисторов и выпрямителей.
Схема блока представлена на Фиг. 2.
Принцип работы схемы заключается в следующем: сетевое трехфазное напряжение 380В поступает на вход силового блока, где находится выпрямитель (8), функция которого заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения в постоянное. Сигнал о необходимых выходных параметрах зарядки передается через цифровой интерфейс I2C (3) на контроллер (15). Контроллер осуществляет коммутацию блока ключей (9). Далее напряжение с выпрямителя через ключи поступает на повышающий трансформатор (10), где опять преобразуется в переменное, и его значение повышается. После этого напряжение преобразуется в постоянное при помощи выпрямителя (11). Датчики напряжения (12) и тока (13) осуществляют контроль выходных параметров блока питания и, в случае несоответствия выходных параметров, сообщают об этом контроллеру (15), который в свою очередь вносит необходимые корректировки.
Дежурное питание осуществляет питание контроллера, датчиков и цифрового интерфейса (14).
Импульсный блок питания с цифровым управлением отличается от аналогов тем, что управление ключевыми транзисторами T1 и Т2 происходит с помощью микроконтроллера (15) с наличием связи I2C (3) (Фиг. 3). В случае параллельного включения нескольких источников нагрузка распределяется равномерно между блоками.
Конструкция импульсного блока питания подразумевает возможность параллельного включения нескольких импульсных блоков питания. Данная возможность позволяет наращивать выходную мощность общего блока питания путем дополнительного включения еще нескольких строго идентичных. В случае, если один из блоков выйдет из строя, то устройство не перестанет работать. Главный контроллер Master при помощи интерфейса I2C перераспределит нагрузку, и оставшиеся блоки продолжат свою работу (Фиг.4).
Экспериментальные исследования макета предлагаемого импульсного блока питания с цифровым управлением подтвердили возможность осуществления зарядки электромобилей. Также, была экспериментально подтверждена возможность подключения нескольких блоков питания 16, 17 параллельно и осуществления управления ими через интерфейс I2C.
Источники информации, использованные при составлении описания полезной модели:
1) Патент РФ №2624635, «Многоканальный импульсный стабилизатор тока (варианты)», авторы Абышев А.А., Акулин Е.Г., МПК: Н02М 3/335;
2) (Патент РФ №2420853 приоритет от 17.05.2010, «Высокоточный способ управления импульсным стабилизатором тока», авторы: Иордан В.И., Соловьев А.А., МПК7: Н02М 3/335, опубликовано 10.06.2011 Бюл. №16).