ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SOURCE

Изобретение относится к источникам питания, которые выполняют функции обеспечения бесперебойного резервированного питания оборудования от двух или более независимых источников переменного или постоянного тока. Источник питания предназначен для обеспечения питания устройств в аварийных ситуациях при перебоях с подачей электроэнергии (измерительных приборов, счетчиков, систем мониторинга и управления, охранной и пожарной сигнализации, связи) и для питания устройств, критичных к перебоям питания (промышленное автоматическое оборудование, медицинская техника).
При подаче напряжения только на один из нескольких гальванически изолированных входов источник питания может быть использован в качестве обычного нерезервированного источника питания.
Технический результат от использования данного изобретения заключается в снижении стоимости и габаритов источника бесперебойного питания.
Известен источник бесперебойного питания (фиг.2), приведенный в описании к патенту США №US6504270, МПК H01H 9/54, опубл. 07.01.2003, содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, к каждой из которых подключены цепи, соответствующие отдельным независимым каналам питания, включающие силовой ключ, контроллер, и диод, ограничивающий обратный ток. К вторичной обмотке трансформатора подключена общая для обоих каналов питания выходная цепь, соответствующая обратноходовой (flyback) топологии. Контроллер каждого канала управляет работой силовых ключей в соответствии с сигналом обратной связи, формируемым в выходной цепи усилителем напряжения ошибки. В один момент времени работает только один из контроллеров, соответствующий текущему активному каналу, а второй контроллер блокируется. Переключением каналов управляет детектор входного напряжения, подключенный к входу канала, выбранного приоритетным (основным). При наличии напряжения в основном канале питания детектор через элементы гальванической изоляции блокирует работу контроллера резервного канала и разрешает работу контроллера основного канала. При пропадании напряжения (снижения его ниже определенного порога) происходит обратное переключение.
Недостатком данного источника бесперебойного питания является сложная многоэлементная схема переключения между основным и резервным каналом, реализованная в высоковольтной части источника и требующая использования монитора сетевого напряжения и дополнительных, гальванически изолированных каналов управления. Введение данных цепей увеличивает сложность и стоимость источника питания.
Так же известен источник бесперебойного питания (фиг.3), приведенный в описании к патенту США №US621208, МПК H02M 3/33, опубл. 03.04.2001, содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, к каждой из которых подключены цепи, соответствующие отдельным независимым каналам питания, включающие силовой ключ и диод, ограничивающий обратный ток. К вторичной обмотке трансформатора подключена общая для обоих каналов питания выходная цепь, соответствующая прямоходовой (forward) топологии. Оба силовых ключа через гальваническую развязку подключены к выходу контроллера, который обеспечивает их синхронное переключение в соответствии с сигналом обратной связи, формируемом усилителем напряжения ошибки на выходе источника питания. Несмотря на более простую конструкцию по сравнению с вышеприведенным аналогом, данный источник бесперебойного питания имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности установить приоритет работы каналов, произвольно задать один канал как основной, а второй как резервный. Мощность будет потребляться с того канала, напряжение которого, преобразованное во вторичную обмотку трансформатора, будет выше. Необходимость четкой установки приоритета особенно актуальна для систем резервирования питания, где используются аккумуляторные батареи.
Наиболее близок к предложенному по технической сущности источник бесперебойного питания (фиг.4), приведенный в описании к патенту РФ №2398337, МПК H02J 9/06, опубл. 27.08.10, содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, и одной вторичной обмоткой, цепь основного (приоритетного) канала питания, состоящую из силового ключа с управляющим контроллером и диода, последовательно подключенных к первой первичной обмотке трансформатора, цепь резервного канала питания, имеющую такую же структуру, как и цепь основного канала питания, подключенную ко второй первичной обмотке трансформатора, общую для обоих каналов питания выходную цепь, выполненную по прямоходовой топологии и подключенную к вторичной обмотке трансформатора, цепь обратной связи, управляющей работой контроллера в каждом канале в зависимости от значения выходного напряжения источника питания и заданного приоритета работы каналов. Использование для управления переключением между основным и резервным каналом существующих цепей обратной связи значительно упрощает схему по сравнению с аналогами. Существенным недостатком данного источника бесперебойного питания, выбранного в качестве прототипа, является его работоспособность только в прямоходовой топологии выходной цепи, которая заметно дороже, чем обратноходовая. Для наиболее массового сектора источников питания с мощностью до 60 - 80 Вт экономически предпочтительной является именно обратноходовая топология, позволяющая сократить общее число элементов источника и отказаться от дросселя в выходной цепи. Проблема применения обратноходовой топологии в схеме источника бесперебойного питания, построенного на одном трансформаторе с двумя входными и общей выходной обмоткой, заключается в возможности передачи накопленной в трансформаторе энергии не только в выходную цепь, куда она и должна передаваться, но и в обмотку соседнего канала при отсутствии на нем напряжения, либо при неодновременной подаче напряжения на оба канала. Подробнее суть проблемы пояснена на фиг.5, где в момент запуска отсутствует напряжение на резервном канале.
В момент подачи напряжения питания на один из каналов запускаются и начинают асинхронно работать контроллеры обоих каналов, т.к. они запитываются от одного трансформатора. На фиг.5 для повышения наглядности представлена упрощенная схема на контроллере со встроенным ключом, получающим питание с вывода стока через встроенный источник тока. При питании контроллера от отдельной обмотки трансформатора все происходит аналогично. В момент прямого хода (фаза 1 на фиг.5) происходит накопление энергии в трансформаторе. Положение ключа контроллера резервного канала не имеет значения, поскольку протеканию тока мешает запертый диод. В момент обратного хода (фаза 2 на фиг.5), если ключ контроллера резервного канала оказывается заперт, происходит передача энергии во вторичную обмотку. Одновременно, напряжение, наведенное на обмотке резервного канала, заряжает конденсатор питания контроллера резервного канала. Если ключ контроллера резервного канала оказывается открытым (а в этом положении он находится большую часть времени в момент запуска источника питания), вся накопленная в трансформаторе энергия выделяется в короткозамкнутой обмотке резервного канала. В результате, контроллер основного канала переходит в режим защиты от короткого замыкания и источник бесперебойного питания не запускается.
Задачей настоящего изобретения является создание источника бесперебойного питания, лишенного недостатков представленных аналогов и прототипа и способного, в отличие от прототипа, работать в обратноходовой топологии выходной цепи, отличающегося меньшей сложностью и, соответственно, меньшими габаритами и меньшей стоимостью.
Поставленная задача решается за счет того, что в источник бесперебойного питания, содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, цепь основного канала питания, состоящую из диода, катод которого подключен к началу первичной обмотки трансформатора и контроллера со встроенным силовым ключом, сток которого подключен к концу первичной обмотки трансформатора, а исток - к общей шине, а также конденсатора питания, включенного между выводом питания контроллера и общей шиной, цепь резервного канала питания, имеющую такую же структуру, как и цепь основного канала питания, подключенную ко второй первичной обмотке трансформатора, общую для обоих каналов питания выходную цепь, выполненную по обратноходовой топологии и подключенную к вторичной обмотке трансформатора, цепь обратной связи, подключенную между выходом источника бесперебойного питания и входами обратной связи контроллеров каждого канала, и управляющую работой контроллера в каждом канале в зависимости от значения выходного напряжения источника питания и заданного приоритета работы каналов дополнительно введены диод в основном канале питания, катод которого подключен к началу первичной обмотки трансформатора, а анод соединен с выводом питания контроллера основного канала, диод в резервном канале питания, катод которого подключен к началу второй первичной обмотки трансформатора, а анод соединен с выводом питания контроллера резервного канала (фиг.1).
Достигаемым техническим результатом является снижение стоимости и габаритов источника бесперебойного питания за счет расширения диапазона его применения на обратноходовые топологии выходной цепи, отличающиеся меньшим количеством элементов.
Для более наглядного представления сущности изобретения использованы следующие графические изображения:
на фиг.1 приведена структурная схема предложенного источника бесперебойного питания;
на фиг.2 приведена упрощенная структурная схема аналога предложенного изобретения, использующего внешние цепи контроля и управления переключением каналов;
на фиг.3 приведена упрощенная структурная схема аналога предложенного изобретения, использующего принцип синхронного управления ключами каналов питания;
на фиг.4 приведена упрощенная структурная схема наиболее близкого по технической сущности аналога (прототипа) предложенного изобретения с асинхронной работой ключей каналов питания и управлением переключением каналов по цепям обратной связи;
на фиг.5 приведена схема, поясняющая недостаток прототипа - его неработоспособность в обратноходовой топологии выходной цепи.
Предложенный источник бесперебойного питания (ИБП) фиг.1 содержит трансформатор 11 с двумя первичными обмотками 23 и 24 и одной вторичной обмоткой, обеспечивающий передачу энергии и гальваническую изоляцию между цепями ИБП, подключенными к обмоткам. К первичным обмоткам трансформатора 11 подключены цепи независимых каналов питания 3 и 4, гальванически изолированные от выходной цепи 17 и между собой. На входные клеммы 5 и 6 каналов питания 3 и 4 подается постоянное напряжение от источника постоянного напряжения (аккумулятор) либо переменное сетевое напряжение, предварительно выпрямленное и отфильтрованное. Цепи основного канала питания 3 состоят из контроллера источника питания 7 со встроенным силовым ключом 8 и диода 9, ограничивающего обратный ток в источник напряжения, подключаемый к клеммам 5. К выводу питания контроллера подключен конденсатор питания 10. Между выводом питания контроллера 7 и началом первичной обмотки 23 трансформатора включен диод 1, обеспечивающий разряд конденсатора питания 10 и блокировку работы контроллера при питании от резервного канала. Управление работой встроенного силового ключа 8 контроллера 7 осуществляется сигналом обратной связи с цепей обратной связи 12. Цепи резервного канала 4 состоят из, аналогичных по функциям, контроллера 13 со встроенным ключом 14, диодов 15 и 2, конденсатора питания 16. К выходной обмотке трансформатора 11 подключена общая для обоих каналов питания выходная цепь 17, выполненная по обратноходовой топологии. Выходная цепь 17 состоит из конденсатора 18, аккумулирующего энергию для питания нагрузки, и коммутирующего диода 19. Сигнал обратной связи для схем управления обоих каналов вырабатывает цепь обратной связи 12, подключенная к выходным клеммам источника питания 20. Цепь обратной связи 12 состоит из усилителя напряжения ошибки 21, обеспечивающего сравнение выходного напряжения ИБП с опорным напряжением и вырабатывающего усиленный сигнал рассогласования, и цепи смещения уровня постоянной составляющей сигнала рассогласования 22, задающей приоритет работы каналов.
Источник бесперебойного питания работает следующим образом. При подаче на клеммы 5, 6 входного напряжения, через встроенные в контроллеры 7, 13 источники тока заряжаются соответствующие конденсаторы питания 10 и 16, обеспечивающие контроллеры 7, 13 питанием. Если в одном из каналов питания будет отсутствовать входное напряжение, конденсатор питания контроллера данного канала все равно будет заряжаться, поскольку на входной обмотке трансформатора будет присутствовать наведенное с соседнего канала напряжение (для ограничения тока, вызываемого наведенным напряжением, в схеме использованы диоды 9 и 15). По мере заряда конденсаторов питания 10 и 16 оба контроллера 7 и 13 начинают работать. На входы обратной связи контроллеров 7, 13 с цепи обратной связи 12 поступает сигнал, сигнализирующий о низком напряжении на выходе источника питания. Встроенные ключи 8 и 14 контроллеров обоих каналов начинают асинхронно включаться с максимальной длительностью рабочего цикла. При замыкании одного из ключей 8, 14 растет ток через соответствующую первичную обмотку и происходит накопление энергии в трансформаторе 11 (фаза прямого хода). При одновременном замыкании ключей 8, 14 энергия поступает с того канала, напряжение на входе которого выше. При размыкании ключей 8, 14 энергия, накопленная в трансформаторе, поступает во вторичную обмотку, заряжая конденсатор 18 (фаза обратного хода). При отсутствии напряжения на входе одного из каналов (например на резервном), если его ключ 14 будет замкнут в течение фазы обратного хода (т.к. ключи 8, 14 работают асинхронно), может возникнуть путь для утечки накопленной в трансформаторе 11 энергии через обмотку данного канала и открытый диод 15 (фиг.5). Однако, за счет дополнительно введенного в схему диода 2, при замыкании ключа 14 к обмотке резервного канала оказывается приложено напряжение конденсатора питания 16. Диод 2 в данном случае оказывается смещенным в прямом направлении, поскольку напряжение на конденсаторе питания 16 выше, чем на входных клеммах 6 резервного канала. Конденсатор питания 16 разряжается, отдавая свою энергию в обмотку резервного канала трансформатора 11, и работа контроллера 13 блокируется из-за нехватки напряжения на его выводе питания (ключ 14 размыкается). Таким образом, утечки энергии в резервный канал не происходит из-за самоблокировки контроллера 13. По мере заряда конденсатора питания 16 контроллер 13 запуститься повторно и ситуация может повториться, но благодаря диоду 2 она снова закончится разрядом конденсатора питания 16 и самоблокировкой контроллера 13. По достижении номинального значения напряжения на выходе 20 источника бесперебойного питания, сигнал обратной связи, вырабатываемый в цепи обратной связи 12 усилителем напряжения ошибки 21, вынудит контроллеры 7, 13 снизить порции энергии, прокачиваемые через трансформатор 11 в выходную цепь. За счет использования цепи смещения 22, сигнал обратной связи для канала резервного питания будет смещен на постоянную величину К. В результате, при выходе выходного напряжения на номинальное значение, работа контроллера резервного канала 7 оказывается постоянно заблокированной до момента пропадания напряжения питания в основном канале. При пропадании напряжения на клеммах 5 основного канала питания 3, источник бесперебойного питания будет работать от резервного канала питания. В данном случае диод 1 в основном канале питания выполняет те же функции, блокируя работу контроллера 7, как и диод 17 в резервном канале питания.
Возможны варианты предложенного устройства. Например, заряд конденсаторов питания 10 и 16 контроллеров 7, 13 может осуществляться не через встроенный в контроллер источник тока, а через дополнительные обмотки трансформатора 11. Контроллер может не иметь встроенного ключа, а использоваться для управления внешним ключом. Сущность изобретения в данном случае не меняется.
Возможны и другие варианты предложенного устройства, не влияющие на сущность изобретения. Например, в предложенном устройстве на выходе источника бесперебойного питания формируется только одно выходное напряжение. Добавив в трансформатор дополнительные вторичные обмотки и дополнительные выходные цепи, можно получить целый ряд гальванически изолированных выходных напряжений. Другим вариантом исполнения является предложенное устройство, имеющее съемные цепи каналов питания в виде отдельных модулей, подключаемых к первичным обмоткам высокочастотного трансформатора, за счет чего достигается возможность быстрой замены (в том числе и “горячей”) вышедших из строя входных цепей.
Источники информации
1. Пат. RU 2398337 (C1) Российская Федерация, МПК7 H02J 9/06. Источник бесперебойного питания / Губарев А.А., Беляев А.Н., Валиков В.В и др.; патентообладатели Беляев А.А., Валиков В.В., Валиков А.В. - опубл. 27.08.10, Бюл. №24.
2. Pat. US 6504270 (B1) USA, Int. C1. H01H 9/54. Uninterruptible switching regulator / Hiromi Matshushita. - 07.01.2003. - 24 pp.
3. Pat. US 6212081 (B1) USA, Int. C1. H02M 3/335. Uninterruptible duplexed power supply system / Setsuo Sakai. - 03.04.2001. - 11 pp.
4. Pat. US 7187563 (B1) USA, Int. C1. H02M 3/335. DC/DC Converter with multiple mutually-isolated power sources / P. Bobrek. - 06.03.2007. - 11 pp.
5. Pat. US 6650028 (B1) USA, Int. C1. H02J 1/00. Dual isolated input power supply / G.D. Cornelius. - 18.11.2003. - 5 pp.
6. Pat. EP 0706256 (A2) Germany, Int. C1. H02M 3/28. Circuit for a DC/DC converter / U.D. Trick, T. Volk. - 10.04.1996. - 4 pp.
7. Pat. US 4745299 USA, Int. C1. H02J 9/00. Off-line switcher with battery reserve / W.K. Eng, R.E. Schroeder. - 17.05.1988. - 7 pp.