Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока
MULTI-CHANNEL BOOST SWITCHING DC VOLTAGE REGULATOR

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники (а именно к классу DC/DC преобразователей, т.е. конверторов) и может быть использовано в тех случаях, когда требуется решить задачу повышения уровня напряжения первичного источника питания до нескольких раз при заданных ограничениях по массогабаритным показателям и по КПД, например, при инвертировании напряжения солнечной батареи с повышением его в 2-3 раза (без использования согласующих трансформаторов).
Известен конвертор [1] (Коссов О.А, Хасаев О.И. Полностью управляемые тиристоры в устройствах автоматики. - М.: Энергия, 1970. - 112 с, рис. 3-25 на стр. 72), содержащий первую цепочку из последовательно включенных накопительного дросселя индуктивности и двухоперационного тиристора, которая подсоединена к силовым входным выводам для подключения их к источнику напряжения постоянного тока, а также вторую цепочку из последовательно включенных диода и фильтрующего конденсатора, которая подключена между точкой соединения накопительного дросселя индуктивности и тиристора и одним из силовых входных выводов. Для управления тиристором используется блок управления, включающий в себя модулятор ширины импульсов. Принцип работы заключается в следующем. Накопление энергии в накопительном дросселе индуктивности обеспечивается включением двухоперационного тиристора, а после его выключения накопленная в нем энергия передается в фильтрующий конденсатор и в нагрузку. Поскольку на интервале разряда дросселя индуктивности его ЭДС суммируется с напряжением источника питания, то значение напряжения на конденсаторе (и на нагрузке) при этом возрастает. Таким образом, чем больше длительность открытого состояния тиристора, тем больше будет накопленная в дросселе энергия и, соответственно, значение напряжения на нагрузке.
r
p
s
Недостатками настоящего технического решения являются: завышенные (неприемлемые) массогабаритные показатели накопительного дросселя индуктивности, который обусловлен работой его в режиме однополярного намагничивания (в диапазоне изменения индукции от значения остаточной индукции B до расчетного значения равного индукции насыщения: B≈B); ограниченная область применения, обусловленная относительно ограниченными значениями единичной мощностью преобразования (и рабочей частоты) двухоперационного тиристора; а также повышенное значение пульсаций напряжения на фильтрующем конденсаторе, что приводит к необходимости увеличения его установленной мощности (и росту его массы).
т
т
кэ
кэ
Ослабить во многом указанные недостатки известного конвертора можно использованием при его синтезе принципа многоканального преобразования (МКП) энергетического потока. Известно решение повышающего конвертора напряжения постоянного тока, реализующее принцип МКП [2] (Мыцык Г.С. Основы теории структурно-алгоритмического синтеза источников вторичного электропитания. - М.: Моск. энерг. инст.-т (МЭИ), 1989. - 109 с, стр. 76 (рис.4.3 в)), содержащее М число параллельно включенных как по силовому входу, так и по выходу каналов, каждый из которых выполнен в виде известной (и описанной в [1]) схемы конвертора. Каждый конвертор-канал содержит цепочку из последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности и ключевого элемента (КЭ), которая подсоединена к силовым входным выводам для подключения их к источнику напряжения постоянного тока, и вторую цепочку из последовательно включенных диода и фильтрующего (накопительного) конденсатора, которая подключена между одним из силовых входных выводов и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности с КЭ. Фильтрующий конденсатор является общим для всех М каналов. Так же, как и в выше рассмотренном решении [1], обкладки фильтрующего конденсатора образуют выходные выводы, но здесь уже не одного конвертора, а М числа конверторов. Блок управления таким многоканальным конвертором, описанный в [2] на стр. 76 стр. 77 (рис. 4.4в), содержит задающий генератор частоты М⋅ƒ, к выходу которого подключен распределитель импульсов (РИ) по М каналам, а также М число генераторов пилообразного напряжения (ГПН) и М число компараторов, один из двух входов каждого из которых подключен к одному из выходов РИ, а другие их входы объединены и образуют общий для всех каналов управляющий вход конвертора. Блок управления обеспечивает здесь попеременное переключение КЭ с частотой ƒ, с фазовым сдвигом относительно друг друга на угол δ=2π/М и с требуемой скважностью s=2π/θ (где θ - длительность включенного состояния КЭ), обеспечивающей с ростом скважности s требуемое повышение выходного напряжения относительно входного.
Недостатком данного технического решения является завышенная масса накопительного дросселя индуктивности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение массы накопительного дросселя (не менее, чем в 2 раза).
Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока.
1
2
j
M
Это достигается тем, что известный многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока, содержащий М каналов, каждый из которых выполнен в виде первой цепочки из последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности и полностью управляемого ключевого элемента (КЭ) с односторонней проводимостью, причем эта цепочка подключена к силовым входным выводам, предназначенным для подсоединения их к источнику напряжения постоянного тока, и второй цепочки из последовательно включенных диода и фильтрующего конденсатора, которая подключена между точкой соединения обмотки дросселя индуктивности с КЭ первой цепочки и одним из силовых входных выводов, причем фильтрующий конденсатор является общим для всех М каналов, а его обкладки образуют выходные выводы многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока, а также блок управления, включающий в себя задающий генератор (ЗГ), распределитель импульсов (РИ) на М число выходов с сигналами Р, Р, P, …, P, которые последовательно сдвинуты между собой на угол 2π/М, а также модуляторы ширины импульсов (МШИ), в виде генератора пилообразного напряжения (ГПН) и компаратора, при этом число каналов М является четным, причем в каждой паре каналов, образующих N=М12 число двухканальных модулей (ДКМ), две обмотки его дросселей индуктивности выполнены магнитно связанными и разноименными по полярности концами подключены к одному силовому входному выводу, а управляющие входы двух его КЭ подключены к тем выходам РИ, выходные импульсы у которых сдвинуты между собой на угол π.
При этом, в качестве М ключевых элементов (КЭ) в каналах могут быть установлены двухоперационные тиристоры или последовательно включенные транзистор и диод.
Блок управления снабжен М числом двухвходовых логических элементов «2И», модулятор ширины импульсов (МШИ) с выходным сигналом s выполнен общим для всех М каналов, его тактовый вход подключен к выходу задающего генератора, первый вход всех М двухвходовых логических элементов «2И» подключен к выходу МШИ, а их второй вход - к соответствующим выходам РИ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока; на фиг.2 показана функциональная схема блока управления (БУ); на фиг.3 изображены временные диаграммы рабочих процессов в схеме по фиг.1 и в БУ по фиг.2.
Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока содержит первый канал, выполненный в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 1 и ключевого элемента 2 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 5 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 1 с КЭ 2.
Второй канал выполнен аналогично - в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 7 и ключевого элемента 8 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 9 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 7 с КЭ 8.
Обмотки дросселя индуктивности 1 и 7 между собой выполнены магнитно связанными с помощью общего магнитопровода 10 и к силовому входному выводу 3 подключены с разной полярностью. Первый и второй каналы образуют первый двухканальный модуль (ДКМ) 11, выходные выводы 12, 13 которого выполнены с возможностью подключения к ним нагрузки 14 и выходных выводов второго ДКМ 15.
Второй ДКМ 15 выполнен аналогично первому ДКМ 11 и содержит 3-й и 4-й каналы, причем 3-й канал выполнен в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 16 и ключевого элемента 17 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 18 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 16 с КЭ 17.
Четвертый канал выполнен в виде цепочки последовательно включенных обмотки дросселя индуктивности 19 и ключевого элемента 20 с односторонней проводимостью, которая подключена к силовым входным выводам 3, 4 источника напряжения постоянного тока, и другой цепочки в виде последовательно включенных диода 21 и фильтрующего конденсатора 6, подключенной между силовым входным выводом 4 и точкой соединения обмотки дросселя индуктивности 19 с КЭ 20.
Обмотки дросселя индуктивности 16 и 19 между собой выполнены магнитно связанными с помощью общего магнитопровода 22 и к силовому входному выводу 3 подключены с разной полярностью.
1
3
2
4
кэ
кэ
min
В примере импульсного регулятора напряжения постоянного тока на фиг.1 число каналов М=4, блок управления (БУ) выполнен четырехканальным и содержит последовательно соединенные задающий генератор (ЗГ) 23, распределитель импульсов (РИ) 24, модулятор ширины импульсов (МШИ) 25, включающий в себя генератор пилообразного напряжения (ГПН) 26 и компаратор (К) 27, а также логический узел (ЛУ) 28, выполненный в виде 4-х двухвходовых логических элементов (ЛЭ) «2И» 29÷32. При этом выходы ЛУ 29 и 30 (с сигналами Ψ и Ψ соответственно) подключены к управляющим входам КЭ 2 и 8, а выходы ЛУ 31 и 32 (с сигналами Ψ и Ψ соответственно) подключены к управляющим входам КЭ 17 и 20, Функциональная характеристика БУ заключается в том, что он выполнен с возможностью выработки 4-х последовательностей импульсов (при М=4), последовательно сдвинутых между собой на угол δ=2π/М=π/2 с регулируемой скважностью s=2π/θ (где θ - длительность открытого состояния КЭ). В данном примере минимально допустимое значение скважности s=4. При этом ее значении выходное напряжение максимально. При увеличении скважности выходное напряжение уменьшается
Многоканальный повышающий импульсный регулятор напряжения постоянного тока работает следующим образом.
зг
1
4
гпн
1
1
2
2
3
3
4
4
1
1
3
3
2
2
4
4
Логика работы блока управления (БУ) поясняется временными диаграммами на фиг.2а, а рабочие процессы в силовой части - диаграммами на фиг.2б. Принятые обозначения по БУ: и - импульсы напряжения на выходе ЗГ 23, р ÷ р - импульсы на выходе РИ 27, и - пилообразное напряжение на выходе ГПН 26, s - импульсная последовательность на выходе компаратора (К) 27, ψ=sp, ψ=sp, ψ=sp, ψ=sp - сигналы на выходе логического узла (ЛУ) 28. Эти сигналы последовательно сдвинуты между собой по фазе на угол δ=2π/М=π/2. Сигналы ψ=sp и ψ=sp сдвинуты между собой по фазе на угол ж и подаются на управляющие входы КЭ 2 и 8 первого ДКМ 11. Сигналы ψ=sp и ψ=sp также сдвинуты между собой по фазе на угол ж и подаются на управляющие входы КЭ 17 и 20 второго ДКМ 15.
w1
w7
w16
w19
Принятые обозначения по силовой части: i, i - токи через обмотки 1, 7; i, i - токи через обмотки 16, 19.
c
с
i - ток через фильтрующий конденсатор 6; и - напряжение на фильтрующем конденсаторе 6.
1
1
1
2
с
3
3
4
с
с
Согласно фиг.2 в момент времени θ=0 на управляющий вход КЭ 2 подается сигнал ψ и он включается. Ток в обмотке 1 нарастает (по линейному закону) до момента θ=0, когда КЭ 2 выключается. На интервале Δθ=0÷0 накопленная в этой обмотке энергия через диод 5 разряжается на фильтрующий конденсатор 6, напряжение и на котором возрастает. В следующий момент времени 0 на управляющий вход КЭ 8 подается сигнал ψ, он открывается, и через обмотку 7 начинает протекать ток, нарастающий до следующего момента 0, когда КЭ 8 выключается. После чего накопленная в этой обмотке энергия передается фильтрующему конденсатору 6. Далее процессы в первом ДКМ 11 повторяются. Второй ДКМ 15 работает аналогично первому ДКМ 11, но по отношению к нему с фазовым сдвигом на угол δ=π/2. В результате выходное напряжение (на фильтрующем конденсаторе 6 - и и на нагрузке 14) имеет вид, показанный на фиг.2. Уровень пульсаций напряжения и определяется значением емкости фильтрующего конденсатора 6, а частота пульсаций в 4 раза больше тактовой частоты регулятора.
Предложенные топология регулятора и используемый алгоритм переключения КЭ в нем обеспечивают двухполярное перемагничивание магнитопроводов 10, 22 дросселей индуктивности (теперь уже переменного, а не постоянного тока). За счет изменения таким образом режима работы его дросселей результирующая масса двухобмоточного дросселя переменного тока оказывается меньшей (примерно от 2-х до 4-х раз, в зависимости от величины не магнитного зазора в его магнитопроводе и его материала) по сравнению с дросселем в прототипе, который работает в режиме однополярного намагничивания. При этом достигается также технологическое преимущество: несмотря на увеличение числа обмоток в дросселе (с 1-й до 2-х) общее их число витков остается примерно тем же (или даже меньшим, см. ниже), а общее число дросселей в регуляторе уменьшается в 2 раза. Кроме того, магнитная проницаемость магнитопровода (при том же зазоре, что и у прототипа) при двухполярном его перемагничивании оказывается большей, что в итоге приводит к дополнительному улучшению массогабаритных показателей дросселя.
К достоинствам предлагаемого многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока следует отнести также возможность получения повышенных значений преобразуемой мощности при использовании в нем реально располагаемых КЭ значительной меньшей единичной мощности.
Использование изобретения позволяет улучшить массогабаритные показателей многоканального повышающего импульсного регулятора напряжения постоянного тока за счет снижения массы накопительного дросселя (не менее, чем в 2 раза).