СПОСОБ ПЛАВНОГО ПУСКА DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ СПОСОБА
METHOD FOR SMOOTH START-UP OF A DC-DC CONVERTER WITH AN ENERGY STORAGE DEVICE AND A DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для плавного пуска DC-DC преобразователей с накопителем энергии.
Известны способ работы DC-DC преобразователя с накопителем энергии и устройство для выполнения способа, выбранные в качестве прототипа (патент US 6744644 B2 от 01.06.2004 г. ), содержащие конденсатор, подключенный к первой шине линии постоянного тока, резистор, подключенный ко второй шине линии постоянного тока, при этом резистор и конденсатор соединены последовательно между первой и второй шинами, коммутирующее устройство, образующее вместе с блоком выпрямителей интеллектуальный модуль питания и подключенное параллельно резистору, пусковую схему, предназначенную для измерения постоянного напряжения первой и второй шинами и запускающую коммутирующее устройство, шунтируя резистор. Известное устройство характеризуется тем, что в течение заряда накопителя энергии ограничителем тока заряда выступает резистор. После того, как накопитель зарядится, ограничительный резистор шунтируется схемой пуска.
Основным недостатком данного решения является то, что в течение времени заряда накопителя энергии коэффициент полезного действия DC-DC преобразователя снижается на величину, равную тепловым потерям на токоограничительном резисторе.
Технические проблемы, решение которых обеспечивается заявляемым изобретением, заключаются, во-первых, в повышенном тепловыделении на резисторе, выступающим ограничителем заряда накопителя энергии, а, во-вторых, в небезопасной работе устройства, выраженной в броске тока при заряде накопителя энергии.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности преобразователя, а именно обеспечении безопасной работы устройства при заряде накопителя энергии, исключающей бросок тока при подаче питания на вход DC-DC преобразователя.
Для достижения указанного технического результата:
1. Способ плавного пуска DC-DC преобразователя с накопителем энергии, содержит вход и выход DC-DC преобразователя, накопитель энергии, блок выпрямителей и преобразователь напряжения, которые соединены между собой первой и второй шинами линии постоянного тока, дополнительно содержит схему плавного пуска, при этом преобразователь напряжения содержит частотно-импульсный модулятор, схему управления транзистором инвертора и инвертор. Первая шина линии постоянного тока подключена к инвертору, а вторая шина линии постоянного тока подключена к схеме плавного пуска, частотно-импульсному модулятору, схеме управления транзистором инвертора, инвертору и накопителю энергии, схема плавного пуска соединена с частотно-импульсным модулятором, который соединен со схемой управления транзистором инвертора, который соединен с инвертором, который подключен к накопителю энергии. Способ заключается в том, что после подачи питания на вход DC-DC преобразователя запуск инвертора осуществляется с минимальной скоростью, увеличение которой определяется работой схемы плавного пуска, формирующей управляющий сигнал, который поступает на вход частотно-импульсного модулятора, на выходе которого формируется минимальная рабочая частота схемы управления транзистором инвертора, что обеспечивает функционирование инвертора на минимальной частоте, усиление управляющего сигнала схемы плавного пуска приводит к увеличению частоты частотно-импульсного модулятора и схемы управления транзистором инвертора, так что рабочая частота инвертора увеличивается, при этом выход инвертора с минимальной на рабочую частоту обеспечивает необходимый режим заряда накопителя энергии.
2. Устройство для плавного пуска DC-DC преобразователя с накопителем энергии, содержит накопитель энергии, блок выпрямителей и преобразователь напряжения, которые соединены между собой первой и второй шинами линии постоянного тока, а дополнительно содержит схему плавного пуска, а преобразователь напряжения содержит частотно-импульсный модулятор, схему управления транзистором инвертора и инвертор. Первая шина линии постоянного тока подключена к силовому входу инвертора, а вторая шина линии постоянного тока подключена к выходам схемы плавного пуска, частотно-импульсного модулятора, схемы управления транзистором инвертора, инвертора, накопителя энергии. Управляющий выход схемы плавного пуска соединен с входом частотно-импульсного модулятора, второй выход которого соединен с входом схемы управления транзистором инвертора, второй выход которого соединен с входом инвертора, второй выход которого подключен к входу накопителя энергии. Схема плавного пуска содержит вход и выход схемы плавного пуска, управляющий выход схемы плавного пуска, первый и второй транзисторы, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый и второй конденсаторы, при этом вход схемы плавного пуска соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора и коллектором второго транзистора, второй вывод третьего резистора соединен с базой второго транзистора и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого подключен к первым выводам первого и второго конденсаторов, эмиттер второго транзистора подключен к первому выводу первого резистора и выходу схемы плавного пуска, эмиттер первого транзистора подключен ко второму выводу первого резистора и вторым выводам первого и второго конденсаторов, управляющим выходом схемы плавного пуска является коллектор первого транзистора.
На фиг. 1 показана схема DC-DC преобразователя с накопителем энергии, реализующая заявляемые способ работы и устройство для выполнения способа, где:
1 - блок выпрямителей;
2 - схема плавного пуска;
3 - преобразователь напряжения;
4 - частотно-импульсный модулятор (далее - ЧИМ);
5 - схема управления транзистором инвертора;
6 - инвертор;
7 - накопитель энергии.
На фиг. 2 показана схема плавного пуска, где:
8 - управляющий выход схемы плавного пуска;
9 - первый транзистор;
10 - первый резистор;
11 - выход схемы плавного пуска;
12 - второй резистор;
13 - второй транзистор;
14 - первый конденсатор;
15 - второй конденсатор;
16 - вход схемы плавного пуска;
17 - третий резистор;
18 - четвертый резистор.
На фиг. 1 показана схема DC-DC преобразователя с накопителем энергии, реализующая заявляемый способ и устройство для выполнения способа. Устройство для плавного пуска DC-DC преобразователя с накопителем энергии содержит вход и выход DC-DC преобразователя, блок выпрямителей (1), схему плавного пуска (2), преобразователь напряжения (3) и накопитель энергии (7), которые соединены между собой первой и второй шинами линии постоянного тока. Вход DC-DC преобразователя соединен с блоком выпрямителей (1), который, в свою очередь, соединен с преобразователем напряжения (3) первой и второй шинами линии постоянного тока. Преобразователь напряжения (3), в свою очередь, состоит из ЧИМ (4), схемы управления транзистором инвертора (5) и самого инвертора (6). Первая шина линии постоянного тока подключена к силовому входу инвертора (6). Вторая шина линии постоянного тока подключена к выходам схемы плавного пуска (2), ЧИМ (4), схемы управления транзистором инвертора (5), инвертора (6), накопителя энергии (7) и является одним из выходов устройства. Внутреннее напряжение питания преобразователя напряжения (3) запитывает схему плавного пуска (2), ЧИМ (4), схему управления транзистором инвертора (5). Управляющий выход схемы плавного пуска (2) соединен с входом ЧИМ (4), второй выход ЧИМ (4) - с входом схемы управления транзистором инвертора (5). Второй выход схемы управления транзистором инвертора (5) подключен к управляющему входу инвертора (6). Второй выход инвертора (6) подключен к входу накопителя (7) и является другим выходом устройства.
На фиг. 2 приведена схема плавного пуска (2) DC-DC преобразователя, обеспечивающая плавный запуск инвертора (6). Вход (16) схемы плавного пуска (2) соединен с первыми выводами второго (12) и третьего (17) резисторов. Второй вывод второго резистора (12) соединен с базой первого транзистора (9) и коллектором второго транзистора (13). При этом второй вывод третьего резистора (17) соединен с базой второго транзистора (13) и первым выводом четвертого резистора (18), второй вывод которого подключен к первым выводам первого (14) и второго (15) конденсаторов. Эмиттер второго транзистора (13) подключен к первому выводу первого резистора (10) и выходу (11) схемы плавного пуска, эмиттер первого транзистора (9) подключен ко второму выводу первого резистора (10) и вторым выводам первого (14) и второго (15) конденсаторов. А управляющим выходом (8) устройства является коллектор первого транзистора (9).
Функционирование схемы плавного пуска (2) заключается в следующем.
После подачи питания на вход DC-DC преобразователя запуск инвертора (6) осуществляется с минимальной скоростью. Увеличение скорости запуска инвертора (6) определяется работой схемы плавного пуска (2). В начальный момент времени после подачи питания на вход DC-DC преобразователя проводимость первого транзистора (9), задаваемая в этот момент времени вторым резистором (12), высокая. А проводимость второго транзистора (13), задаваемая третьим резистором (17) - низкая. Сформированный управляющий сигнал выхода (8) схемы плавного пуска (2) поступает на вход частотно-импульсного модулятора (4), на выходе которого формируется минимальная рабочая частота схемы управления транзистором инвертора (5). Минимальное значение выходной частоты частотно-импульсного модулятора (4) определяется первым резистором (10). Инвертор (6) начинает функционирование на полученной минимальной частоте.
С течением времени первый (14) и второй (15) конденсаторы заряжаются, увеличивая проводимость второго транзистора (13). Ток заряда первого (14) и второго (15) конденсаторов ограничивается суммарным сопротивлением первого (10), третьего (17) и четвертого (18) резисторов. С увеличением проводимости второго транзистора (13) проводимость первого транзистора (9) уменьшается. Управляющий сигнал выхода (8) схемы плавного пуска (2) изменяется, увеличивая выходную частоту частотно-импульсного модулятора (4) и схемы управления транзистором инвертора (5). Рабочая частота инвертора (6) соответственно увеличивается. Максимальная частота работы инвертора (6) соответствует нулевой проводимости первого транзистора (9).
Плавный выход инвертора (6) с минимальной на рабочую частоту обеспечивает необходимый режим заряда накопителя энергии (7).
Повышение надежности DC-DC преобразователя, безопасная работа модуля при заряде накопителя энергии, исключающая бросок тока при подаче питания на вход DC-DC преобразователя обеспечивается тем, что после подачи питания на вход DC-DC преобразователя запуск инвертора осуществляется плавным способом. Схема плавного пуска формирует управляющий сигнал, в соответствии с которым выходная частота частотно-импульсного модулятора постепенно увеличивается, задавая рабочую частоту схемы управления транзистором инвертора. Плавный запуск инвертора обеспечивает необходимый режим заряда накопителя энергии, подключенного к выходу инвертора.
Схема плавного пуска устроена таким образом, что вход схемы соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов. Второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора и коллектором второго транзистора. Второй вывод третьего резистора соединен с базой второго транзистора и первым выводом четвертого резистора. Чей второй вывод подключен к первым выводам первого и второго конденсаторов. Эмиттер второго транзистора подключен ко второму выводу первого резистора и выходу схемы плавного пуска. А эмиттер первого транзистора подключен к первому выводу первого резистора и вторым выводам первого и второго конденсаторов. Управляющим выходом схемы плавного пуска является коллектор первого транзистора.
Таким образом, использование предложенного технического решения для плавного пуска DC-DC преобразователей с накопителем энергии за счет обеспечения безопасной работы устройства при заряде накопителя энергии, исключающей бросок тока при подаче питания на вход DC-DC преобразователя, повышает надежность преобразователя.