ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ
PULSE VOLTAGE SOURCE

Изобретение относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в переменное - инверторам и регуляторам напряжения, и предназначена для использования в автономных системах электропитания и в электроприводах перспективных авиакосмических летательных аппаратах с преимущественно или полностью электрифицированным приводным оборудованием.
Известен способ импульсного преобразования постоянного напряжения (аналог), при котором увеличение энергии дозирующего двухобмоточного дросселя производится на этапе замкнутого состояния регулирующего ключа от источника питания, а на этапе разомкнутого его состояния указанная энергия частично или полностью передается в нагрузку через обратно включенный выпрямительный диод [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразования напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989 г., стр.61, 67, 68].
Недостатками данного способа (аналога) являются пониженная эффективность преобразования из-за значительных потерь в двухобмоточном дросселе, так как мощность преобразования обеспечивается только пульсацией электромагнитной энергии - этого основного компонента, и частотой преобразования, и большая величина напряжения на разомкнутом регулирующем ключе, превышающая напряжение питания, с дополнительным коммутационным выбросом из-за индуктивности рассеяния обмотки дозирующего дросселя и резким набросом тока в дополнительный диод, а также трудность обеспечения безопасной траектории коммутации транзисторного ключа. Это приводит к необходимости завышения установочной мощности силового ключа и дозирующего дросселя для получения необходимой надежности, что вызывает ухудшение энергетических, массогабаритных и экономических показателей преобразователя.
Известен способ импульсного преобразования постоянного напряжения и устройство для его реализации (прототип) [Патент на изобретение РФ №2125334. Способ обратноходового импульсного преобразования постоянного напряжения. Кабелев Б.В., Бюл. 2 от 20.01.99 г.].
Недостатком указанных известных способа импульсного преобразования постоянного напряжения и устройства для его реализации являются его узкие функциональные возможности, а именно неспособность получения выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидальной.
Известен способ импульсного преобразования постоянного напряжения и устройство для его осуществления [Патент на изобретение РФ №2510871., Кабелев Б.В., Бюл. 2 от 20.01.99 г.]. Данный импульсный преобразователь постоянного напряжения позволяет получать на нагрузке напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидальной.
Недостатком этих способа импульсного преобразования постоянного напряжения и устройства для его осуществления является требования использования первичного источника напряжения со средней точкой, низкая нагрузочная способность (сильное влияние величины сопротивления нагрузки на величину выходного напряжения), сложность схемы управления ключевыми транзисторами (включенными по полумостовой схеме) в режиме широтно-импульсной модуляции по сигналу обратной связи с датчика напряжения на нагрузке, подключенной к средней точке первичного источника напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым и достигаемому эффекту (нагрузочная способность) является импульсный источник напряжения (Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с.), содержащий нагрузку, первую и вторую входные клеммы, а также первую и вторую выходные клеммы, ключевой транзистор, индуктивность, разрядный диод, конденсатор, образующий с индуктивностью индуктивно - емкостной фильтр Г-образного типа, выход которого соединен с первой выходной клеммой, к которой подсоединен также первый вывод резистивного датчика выходного напряжения, блок опорного напряжения, блок сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения и блок управления ключевым транзистором, при этом первый вывод ключевого транзистора соединен с первой входной клеммой, второй вывод ключевого транзистора соединен с выводом индуктивности и катодом разрядного диода, анод которого соединен с выводом конденсатора, второй входной клеммой и вторым выводом резистивного датчика выходного напряжения, третий вывод которого соединен с первым входом блока сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения, второй вход блока сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения соединен с выходом блока опорного напряжения, причем выход блока сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения соединен с входом блока управления ключевым транзистором, а выход блока управления ключевым транзистором соединен с входом управления ключевого транзистора. Этот импульсный источник напряжения имеет жесткую нагрузочную характеристику и простую схему реализации его, но недостатком его являются узкие функциональные возможности, а именно неспособность получения выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидальной.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для его реализации, а именно получение выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидальной при сохранении свойств простоты схемной реализации его и жесткой нагрузочной характеристики.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что  известный импульсный источник напряжения, содержащий нагрузку, первую и вторую входные клеммы, а также первую и вторую выходные клеммы, ключевой транзистор, индуктивность, разрядный диод, конденсатор, образующий с индуктивностью индуктивно-емкостной фильтр Г - образного типа, выход которого соединен с первой выходной клеммой, к которой подсоединен также первый вывод резистивного датчика выходного напряжения, блок опорного напряжения, блок сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения и блок управления ключевым транзистором, при этом первый вывод ключевого транзистора соединен с первой входной клеммой, второй вывод ключевого транзистора соединен с выводом индуктивности и катодом разрядного диода, анод которого соединен с выводом конденсатора, второй входной клеммой и вторым выводом резистивного датчика выходного напряжения, третий вывод которого соединен с первым входом блока сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения, второй вход блока сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения соединен с выходом блока опорного напряжения, причем выход блока сравнения напряжения датчика с напряжением блока опорного напряжения соединен с входом блока управления ключевым транзистором, а выход блока управления ключевым транзистором соединен с входом управления ключевого транзистора, дополнительно снабжен блоком изменения направления тока в нагрузке, при этом первый вход этого блока соединен со вторыми входной и выходной клеммами, второй вход этого блока соединен первой выходной клеммой, а первый и второй выходы этого блока соединены с нагрузкой, при этом блок выполнен с возможностью изменения направления тока в нагрузке, а импульсный источник напряжения выполнен с возможностью создания произвольно задаваемой периодически-непрерывной формы напряжения на выходе его и возможностью синхронизации моментов времени излома кривой напряжения с моментами времени переключения направления тока в нагрузке.
В предлагаемом импульсном источнике напряжения возможность создания произвольно задаваемой периодически-непрерывной формы напряжения на выходе его обеспечивается путем введения в цепь обратной связи от отдельного внешнего блока внешнего сигнала управления формой выходного напряжения импульсного источника. При этом т.к. импульсный источник напряжения это система с автоматической регулировкой выходного напряжения импульсного источника напряжения, то любые сигналы внешнего блока она будет отрабатывать путем увеличения или уменьшения выходного напряжения импульсного источника так, чтобы всегда напряжение обратной связи было равно опорному напряжению. Причем если внешний сигнал увеличивается, то выходное напряжение уменьшается и наоборот. Внешний сигнал этот может быть произвольно задаваемой периодически-непрерывной формы, например модуль функции синуса. В рассматриваемом варианте выходное напряжение импульсного источника будет однополярным пульсирующим по закону внешнего сигнала напряжением, по форме воспроизводящим модуль функции синуса. Для получения действительно переменного напряжения по функции синуса необходимо в определенные моменты времени (когда выходное напряжение импульсного источника близко к нулю) принудительно изменять направление тока в нагрузке на противоположное. При синхронизации моментов времени излома кривой напряжения с в моментами времени переключения направления тока в нагрузке в ней будет получаться переменный ток. Функции изменения направления тока в нагрузке выполняет блок изменения направления тока в нагрузке под управлением сигналов синхронизации внешнего блока произвольно задаваемой периодически-непрерывной формы внешнего сигнала. Этот блок введен в импульсный источник напряжения.
На фиг.1 приведена схема предлагаемого импульсный источник напряжения.
На фиг.2 приведена схема генератора напряжения синусоидальной формы.
На фиг.3 приведена схема управления ключами блока изменения направления тока в нагрузке.
На фиг.4 приведены диаграммы изменения напряжений и токов схем по фиг.1.
Устройство по фиг.1 содержит источник постоянного напряжения, выполненный в виде аккумуляторной батареи АКБ, образованной набором батарей Б1-Б6, соединенных последовательно. Батарея АКБ имеет положительный полюс 1 и отрицательный полюс 2. Импульсный источник напряжения имеет первую 3 и вторую 4 входные клеммы, а также первую 5 и вторую 4 выходные клеммы. Первая входная клемма 3 соединена с положительным полюсом 1 аккумуляторной батареи АКБ. Вторые входная и выходная клеммы соединены между собой, обозначены на фиг. 1 как общая клемма 4 и соединены с отрицательным полюсом 2 АКБ.
Импульсный источник напряжения 6 снабжен блоком 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника напряжения 6. Вход 8 импульсного источника напряжения 6 соединен с клеммой 4, выход 9 импульсного источника напряжения соединен с клеммой 5, а вход 10 регулировки напряжения импульсного источника напряжения соединен с выходом 11 блока 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника 6. Вывод 12 общего провода источника 6 соединен с выходом 13 общего провода блока 7, выводом 14 общего провода и с отрицательным полюсом 2 аккумуляторной батареи АКБ.
вых
ref
вых
Импульсный источник напряжения 6 содержит монолитную интегральную микросхему 15, например МАХ724 или LM2596, разрядный диод VD1, фильтр L1C1, и датчик выходного напряжения U, выполненный в виде резистивного делителя, образованного постоянным резистором R2, подстроечным резистором R3 и постоянным резистором R4. Интегральная микросхема 15 содержит составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2, блок 16 управления ключевым, выполненный в виде контроллера формирования импульсов широтно-импульсной модуляции PWM, генератор 17 частоты преобразования, генератор 18 опорного напряжения U и усилитель 19 сигнала рассогласования, инвертирующий вход 20 которого соединен с ползунком подстроенного резистора R3 датчика выходного напряжения U.
Блок 21 изменения направления тока в первичной обмотке W1 трансформатора Т1 содержит четыре полевых транзистора VT3-VT6, включенных по мостовой схеме. Нагрузка в виде резистора R1 подключена в диагональ моста к точкам 22, 23, которые являются выходами блока 21. В блоке 21 имеется схема 24 управления транзисторами VT3-VT6. Затворы полевых транзисторов VT3-VT6 подключены к выходам 25-28 подачи на затворы сигналов управления транзисторами VT3-VT6. Вход 29 блока 24 используется для синхронизации процесса коммутации транзисторов VT3-VT6, сигналами поступающими с выхода 30 блока 7 на вход 31 блока 21 и далее на вход 32 блока 24.
вых
На мост из транзисторов VT3-VT6 подается питание от АКБ и импульсного источника 6, при этом истоки транзисторов VT4, VT6 соединены с общим выводом 14 и полюсом 2 АКБ через вход 33 блока 21, стоки транзисторов VT3, VT5 соединены с клеммой 5 и выводом 9 выходного напряжения U импульсного источника 6 через вход 34 блока 21.
На вход 29 схемы 24 через вход 35 блока 21 с выхода 11 блока 7 подаются сигналы управления транзисторами транзисторов VT3-VT6.
Аноды диодов VD2, VD3 соединены соответственно с выходами 22, 23 блок 21, а катоды диодов VD2, VD3 соединены выходом 36 и далее с клеммой 3 и положительным полюсом 1 АКБ.
Блок 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника 6 выполнен виде генератора функции модуля синусоидального напряжения (ГСН), выход 11 которого через резистивный делитель R2-R4 соединен с входом 10 регулировки напряжения импульсного источника 6. Выход 13 блока 7 с общим проводом 12 источника напряжения 6.
Блок-схема ГСН приведена на фиг.2. Генератор синусоидального напряжения (ГСН) блока 7 выполнен на микропроцессоре D1 и цифроаналоговом преобразователе D2. Функция модуля синусоидального напряжения в цифровом виде сформирована с помощью программных средств микропроцессора и через цифровой канал А микропроцессора D1 передается цифроаналоговый преобразователь D2, на выходе которого образуется аналоговый вид функции модуля синусоидального напряжения как показано на диаграмме а) фиг.2. Одновременно микропроцессор D1 программно формирует синхроимпульсы и через канал В предает их на выход 30 блока 7. Передние фронты этих синхроимпульсов совпадают с точками излома на кривых функция модуля синусоидального напряжения.
Схема 24 управления транзисторами VT3-VT6 блока 21 приведена на фиг.3 и содержит дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора C3, операционного усилителя D3 резистором R10 обратной связи, диода VD4, D-триггера DDI и двух полумостовых драйверов DD2, DD3 верхнего и нижнего плеча.
На диаграммах а), б), в), г), д) фиг.3 показаны формы импульсов в точках схемы, указанных стрелками.
11
9
обр
30
VT6
VT4
VD2
VD3
R1
На диаграмме фиг.4: Т - период следования импульсов синусоидального напряжения, U - напряжение на выходе 11 генератора синусоидального напряжения ГСН блока 7 (выход 11 блока 7), U - напряжение на выходе 9 импульсного источника напряжения 6, U - напряжение обратной связи на входе 20 интегральной микросхемы 15, U - напряжение синхронизации на выходе 30 блока 7, U - напряжение на затворах транзисторов VT3, VT6, U - напряжение на затворах транзисторов VT4, VT5, U - напряжение на аноде VD2, U - напряжение на аноде VD3, U - напряжение на резисторе R1, выполняющем функции активной нагрузки потребителя.
Устройство работает следующим образом.
Вначале рассмотрим кратко стандартный процесс работы импульсного источника напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7. (см., например, Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с.).
вх
обр
вых
ref
0
0
ref
обр
ref
обр
ref
обр
0
вых
обр
обр
вых
При подаче напряжения U от аккумулятора АКБ на входы 4 и 8 задающий генератор 17 формирует импульсы напряжения пилообразной формы частотой, например, 100 кГц (период 10 мкс). Сигнал обратной связи, снимающийся в виде напряжения U, с датчика выходного напряжения U, выполненного в виде резистивного делителя R2, R3, R4, подается на инвертирующий вход усилителя 19 сигнала рассогласования и сравнивается с опорным напряжением генератора 18 опорного напряжения U. Блок 16 управления ключевым транзисторами формирует прямоугольные импульсы широтно-импульсной модуляции PWM из сигнала пилообразной формы генератора 17 и передает их на выход 22, которыми составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2 открывается на промежуток времени t. Длительность t этих прямоугольных импульсов зависит от соотношения величин напряжений U и U. Если U больше U, то усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал на включение составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Как только U станет меньше или равно U, усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал на выключение составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. В течение времени t (когда составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2 открыт) конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1. Выходное напряжение U и напряжение U обратной связи увеличиваются. Величина U связана с величиной U соотношением:
где φ и n - соответственно, угол поворота и число полных оборотов ползунка подстроечного резистора R3.
обр
ref
вых
обр
обр
ref
вых
вх
вых
Как только величина U будет равна или больше опорного напряжения U блока 18, усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал закрытия составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. При этом индуктивность L1 через разрядный диод VD2 отдает запасенную энергию конденсатору С1, а последний при закрытом ключевом транзисторе VT1-VT2 разряжается на нагрузку R1. Выходное напряжение U и напряжение U обратной связи уменьшаются. Как только величина U будет меньше опорного напряжения U блока 18 усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал на открытие составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Конденсатор C1 заряжается через индуктивность L1, процесс работы импульсного источника напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 многократно повторяется по описанной выше процедуре. В данном режиме работы импульсный источник напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 выполняет функции автоматического стабилизатора напряжения U при любых изменениях напряжения U от аккумулятора АКБ на входах 4 и 8. Это общепринятый, стандартный режим автоматической регулировки напряжения U импульсного источника напряжения 6 в отсутствие внешних сигналов с блока 7.
вых
Для решения поставленной в предлагаемом изобретении технической задачи импульсный источник напряжения 6 используется в режиме автоматической регулировки напряжения U под воздействием внешних сигналов с блока 7.
11
Импульсы синусоидального напряжения, по форме воспроизводящие модуль функции синуса и образующиеся на выходе генератора ГСН (см. фиг.2.), выделяются на выводе 11 блока 7 и имеют вид, приведенный на фиг.4, график U(t).
11
Зависимость U(t) в течение каждого периода Т можно представить в виде:
где Т - период синусоиды, сек.
обр
Это напряжение складывается с напряжением на резисторах R3-R4 резистивного делителя R2-R4, а напряжение U обратной связи будет в этом случае равно:
0
где U - величина напряжения на резисторе R4 в момент времени t=0.
0
ref
обр
ref
вых
обр
11
0
ref
11
обр
обр
вых
обр
ref
11
11
вых
11
вых
С помощью подстроечного резистора R11 величину U устанавливают равной U. В этом случае в процессе работы импульсного источника напряжения 6 в момент времени t=0 U больше или равно U блока 18. Усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал закрытия составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Величина напряжения U равна ли близка к нулю, т.к величина U образуется за счет внешнего напряжения U(t), равного при t=0 U, т.е. U. С течением времени t величина U(t) уменьшается. Уменьшается и U, а схема импульсного источника напряжения 6 отслеживает это уменьшение U путем периодического отрывания составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2, увеличивая таким образом величину напряжения U до тех пор пока U не будет равно U при величине U(t) в текущий момент времени t. Так как U(t) уменьшается в течение первой половины периода Т то напряжение U будет по синусу увеличиваться в течение первой половины периода Т, в течение второй половины периода Т U(t) по синусу увеличивается при этом напряжение U будет по синусу уменьшаться в течение второй половины периода Т.
вых
11
9
обр
обр
11
20
В течение периода Т напряжение U в противофазе будет повторять напряжение U(t) блока 7, по форме воспроизводящее модуль функции синуса (см. фиг.4, график U). При этом U в течение времени t не изменяется по величие, т.к. его изменения компенсируются за счет автоматического слежения за изменениями U схемой импульсного источника напряжения 6 при изменениях напряжения U(t) блока 7 (см. фиг.4, график U).
вых
С выхода 9 импульсного источника напряжения 6 напряжение U, по форме воспроизводящее модуль функции синуса, через клемму 5 и вход 34 блока 21 поступает на стоки транзисторов VT3, VT4.
вых
Для образования в нагрузке R1 синусоиды схема 24 осуществляет каждый, например, четный период напряжения U, изменение направления тока в нагрузке R1.
11
С этой целью с выхода 11 блока 7 напряжение U(t) подается на вход 29 схемы 24. Одновременно с выхода 30 блока 7 на вход 32 схемы 24 синхронизации блока 21 поступают импульсы синхронизации. Дифференцирующая цепочка, состоящая из конденсатора С3, операционного усилителя D3 резистора R10 обратной связи и диода VD4, выделяет из импульсов, поступающих на вход 29 схемы 24, только фронты излома функции модуля синусоиды и предает их на информационный вход D D-триггера, находящегося в счетном режиме. При наличии на счетном входе С D-триггера счетного импульса, поступающего с выхода 30 блока 7, D-триггер переключается из одного состояния в другое, например из состояния с высоким уровнем напряжения на выходе Q и низким уровнем напряжения на инвертирующем выходе Q D-триггера в состояние с низким уровнем напряжения на выходе Q и высоким уровнем напряжения на инвертирующем выходе Q.
9
11
вых
VT4
VT6
VT6
VT4
вых
R1
При поступлении следующих импульсов на входы D и С состояние D-триггера изменится на противоположное. Длительность импульсов на выходе Q и инвертирующем выходе Q D-триггера равна периоду Т следования импульсов модуля функции синуса (см. фиг.4, график U) на выходе 11 блока 7 (см. фиг.4, график U). Передние и задние фронты этих импульсов совпадают с моментами изломов кривой выходного напряжения U на выходе 9 источника 6 (см. фиг.4, графики U и U). Эти импульсы через драйверы DD3 и DD4 с выходов 25, 26, 27. 28 подаются соответственно на затворы транзисторов VT3, VT4, VT5, VT6, поочередно включая пары транзисторов VT3, VT6 или VT4, VT5, см. фиг.4, графики U и U. При этом форма напряжения на анодах диодов VD2, VD3 будет соответствовать форме напряжения на выходе 9 импульсного источника напряжения 6 (на VD2 нечетные полуволны напряжения, a VD3 четные полуволны напряжения U), а ток в нагрузке R1 будет иметь синусоидальную форму. Форма напряжения на резисторе R1 приведена на фиг.4, график U(t).
Если нагрузка R1 имеет чисто индуктивный характер, то в моменты переключения пар транзисторов VT3, VT4 или VT5, VT6 на анодах диодов VD2, VD3 будут за счет ЭДС самоиндукции индуктивности R1 появляться броски напряжения и тока, которые в моменты закрытия транзисторов VT3 или VT5 открывают диод VD2 или VD3. через которые в эти моменты осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи АКБ (рекуперация энергии).
вых
9
Наиболее эффективно предлагаемое устройство работает при φ=0. В этом случае ограничения формы напряжение U (см. фиг.4, график U) отсутствуют.
Источники информации
1. Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с.