ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении систем резервированного электропитания повышенной надежности и увеличенного срока службы.
Известны преобразователи напряжения, допускающие параллельное соединение на выходе для увеличения выходной мощности или построения системы резервированного электропитания. Для выравнивания ресурсных характеристик таких преобразователей напряжения в режиме параллельной работы последние содержат дополнительные узлы выравнивания выходных токов [1].
К недостаткам указанного типа преобразователей напряжения можно отнести повышенную сложность и стоимость.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный преобразователь напряжения, приведенный в [2]. Его функциональная схема показана на фиг.1. Преобразователь напряжения (Пр) содержит ключ (Кл), на первый силовой вывод которого подано входное напряжение, второй силовой вывод через силовые выводы датчика тока (ДТ) подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла (ТВУ), на выходе которого вырабатывается выходное напряжение, управляющий вход ключа соединен с выходом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) узла управления (УУ), выход трансформаторно-выпрямительного узла через делитель напряжения (ДН), узел сравнения (УСр) и узел согласования (УС) подключен к входу широтно-импульсного модулятора, а выход датчика тока соединен с входом компаратора тока (КТ) узла управления.
На фиг.2 показана схема параллельного соединения N преобразователей напряжения на выходе для увеличения выходной мощности или реализации функции резервирования.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются ключ, на первый силовой вывод которого подано входное напряжение, второй силовой вывод через силовые выводы датчика тока подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение, управляющий вход ключа соединен с выходом широтно-импульсного модулятора узла управления, выход трансформаторно-выпрямительного узла через делитель напряжения и узел сравнения соединен с входом устройства согласования, входы широтно-импульсного модулятора и компаратора тока узла управления, выходы датчика тока и узла согласования.
Преобразователь напряжения работает следующим образом. При подаче входного напряжения широтно-импульсный модулятор вырабатывает на выходе последовательность импульсов исходной (максимальной) длительности, которые управляют коммутацией ключа. Трансформаторно-выпрямительный узел преобразует амплитудно-модулированное входное напряжение и сглаживает пульсации тока, в результате чего на выходе преобразователя напряжения появляется постоянное напряжение, увеличивающее во времени. При достижении им номинального значения Uвых.ном на выходе узла согласования появляется управляющее постоянное напряжение и длительность выходного импульса широтно-импульсного модулятора уменьшается до значения, при котором происходит стабилизация выходного напряжения преобразователя. Датчик тока преобразует ток, протекающий через ключ, в напряжение таким образом, что максимальному значению тока ключа, а, следовательно, и выходного тока преобразователя, соответствовало значение напряжения Uпор. Каждый раз, когда мгновенное значение тока ключа достигает максимального значения, последний выключается и включается в следующем периоде работы широтно-импульсного модулятора. Таким способом реализуется защита ключа от перегрузок по току. При этом автоматически ограничивается и максимальный выходной ток преобразователя напряжения. Если же
сопротивление нагрузки продолжает уменьшаться, то уменьшается и выходное напряжение. Эта особенность работы преобразователя напряжения позволяет соединять их на выходе параллельно.
В описанном преобразователе напряжения нет специальных узлов для организации работы при параллельном соединении на выходе, однако такой режим работы возможен и безопасен для преобразователей при условии, что их выходные напряжения равны (с некоторой степенью точности). При этом работа происходит следующим образом. Предположим, что параллельно соединены три преобразователя напряжения Пр1-Пр3 разных в общем случае максимальных выходных мощностей по схеме, показанной на фиг.2. Пусть для определенности Рвых1<Рвых2<Рвых3. Поскольку их номинальные выходные напряжения немного отличаются, предположим также, что Uвых.ном1>Uвых.ном2>Uвых.ном3. Процесс работы показан на фиг.6 на левой части графиков. При подаче входного напряжения и малом токе нагрузки работает преобразователь с наибольшим выходным напряжением, т.е. Пр1 (фиг.6а, фиг.6в). Для преобразователей Пр2 и Пр3 его выходное напряжение Uвых.ном1>Uвых.ном2>Uвых.ном3 по каналам обратной связи запрещает выработку управляющих импульсов их широтно-импульными модуляторами, в результате чего преобразователи Пр2 и Пр3 не работают, но находятся в режиме готовности, «горячего резерва». С увеличением мощности нагрузки до значения Рвых>Рвых.макс1 преобразователь Пр1 переходит в режим ограничения выходного тока и его выходное напряжение уменьшается до значения Uвых.ном2 - номинального значения выходного напряжения преобразователя Пр2. Преобразователь Пр3 продолжает находиться в режиме готовности. Наконец, при увеличении мощности нагрузки до значения Рвых>Рвых.макс1+Рвых.макс2 и преобразователь Пр2 переходит в режим ограничения выходного тока. Выходное напряжение уменьшается теперь до значения Uвых.ном3 - номинального значения для преобразователя Пр3. В этом режиме преобразователи Пр1 и Пр2 работают в режиме ограничения выходного тока,
а преобразователь Пр3 - в режиме стабилизации выходного напряжения.
Предельное значение выходной мощности параллельного соединения преобразователей напряжения Пр1-Пр3 Рвых.макс=Рвых.макс1+Рвых.макс2+Рвых.макс3, максимальный выходной ток Iмакс=Рвых.макс/Uвых.ном3, а минимальное сопротивление нагрузки Rн.мин=Uвых.ном3/Iмакс. Если сопротивление нагрузки продолжает уменьшаться, выходное напряжение также уменьшается, что для импульсных преобразователей не является опасным.
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится неравномерная загрузка преобразователей напряжения при работе на реальную нагрузку, мощность которой при эксплуатации изменяется в пределах 0≤Рн≤Рвых.макс. Преобразователи имеют различный нагрев и неравномерно расходуют свой ресурс, т.е. имеют различную надежность и срок службы. Кроме того, каждый из преобразователей напряжения Пр1-Пр3 должен обеспечивать зарядку емкости нагрузки значения Рмакс, а не Рмакс1-Рмакс3 соответственно, что сужает область возможного применения прототипа.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности и расширение области применения преобразователя напряжения.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается преобразователь напряжения, содержащий ключ, на первый силовой вывод которого подано входное напряжение, второй силовой вывод через силовые выводы датчика тока подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение, управляющий вход ключа соединен с выходом широтно-импульсного модулятора узла управления, выход трансформаторно-выпрямительного узла через делитель напряжения и узел сравнения соединен с входом устройства согласования, входы широтно-импульсного модулятора и компаратора тока узла управления, выходы датчика тока и узла согласования, причем выходы
датчика тока и узла согласования подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входом компаратора тока узла управления, а выход узла согласования является выводом соединения при параллельной работе преобразователя напряжения.
Введение в устройства неочевидных связей позволили повысить надежность и срок службы преобразователя напряжения и расширить область его применения.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг.3 приведена функциональная схема преобразователя напряжения. Предлагаемый преобразователь напряжения содержит ключ 1 с первым и вторым силовыми и управляющим выводами, датчик тока 2 с силовыми выводами и выходом сигнала тока, трансформаторно-выпрямительный узел 3, делитель напряжения 4, узел сравнения 5, узел согласования 6, сумматор 7 с двумя входами и выходом и узел управления 8, включающий в себя широтно-импульсный модулятор и компаратор тока.
В предлагаемом преобразователе напряжения на первый силовой вывод ключа 1 подано входное напряжение, второй силовой вывод ключа 1 через силовые выводы датчика тока 2 подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла 3, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение. Управляющий вход ключа 1 соединен с выходом широтно-импульсного модулятора узла управления 8. Выход трансформаторно-выпрямительного узла 3 через делитель напряжения 4, узел сравнения 5 и узел согласования 6 соединен с одним из входов сумматора 7, на другой вход которого подключен выход датчика тока 2. Выход сумматора 7 соединен с входом компаратора тока узла управления 8, причем выход узла
согласования 6 является выводом, соединяющимся с аналогичными выводами других преобразователей напряжения при их параллельном включении.
В каждом конкретном случае реализация узлов преобразователя напряжения может быть различной. Так, например, датчик тока 2 может быть выполнен в виде резистора, с которого выходное напряжение, пропорциональное величине тока, снимается непосредственно. В другом случае датчик тока может быть выполнен в виде трансформатора тока, где силовые выводы являются выводами первичной обмотки и включаются в цепь измерения тока, а выходное напряжение снимается с резистора, подключенного к его вторичной обмотке. Делитель напряжения 4 в отдельных случаях может иметь коэффициент деления, равный 1, т.е. надобность в нем практически отпадает. Узел согласования 5 преобразует формат сигнала, а в отдельных случаях реализует и гальваническую развязку между входными и выходными сигналами, если это необходимо.
Принцип регулирования предлагаемого преобразователя напряжения иллюстрируется на фиг.4. Изначально широтно-импульсный модулятор узла управления 8 вырабатывает импульсную последовательность с максимальным коэффициентом заполнения, которая управляет работой ключа 1. Регулирование (изменение коэффициента заполнения импульса) происходит напряжением на входе компаратора тока узла управления 8. Указанное напряжение представляет собой сумму постоянной составляющей, поступающей с узла согласования 6 и импульсной составляющей, пропорциональной току, протекающему через ключ 1. Промодулированное входное напряжение поступает на вход трансформаторно-выпрямительного узла 3, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение. Его часть через делитель напряжения 4 поступает на узел сравнения 5, где сравнивается с уставкой Uпор. Выходной сигнал узла сравнения 5 появляется, когда выходное напряжение преобразователя достигает номинального значения.
Сразу после подачи входного напряжения выходное напряжение преобразователя Uвых<Uвых.ном и сигнал обратной связи отсутствует, т.е. Uуc=0. На этом интервале времени напряжение на входе компаратора тока узла управления 8 формируется только напряжением с датчика тока 2 (первый импульс на фиг.4). Очевидно, что ток ключа 1 при этом имеет максимальное значение. При достижении выходным напряжением номинального значения появляется напряжение на выходе узла согласования 6, величина которого в зависимости от выходного тока и входного напряжения находится в диапазоне: 0≤Uуc≤Uпор. Поскольку напряжение на входе компаратора тока узла управления 8 не может превышать значения Uпоp, напряжение на выходе датчика тока 2, а, следовательно, и мгновенное значение тока через ключ 1, уменьшится настолько, чтобы остановить рост выходного напряжения преобразователя на значении Uвых.ном. Таким способом можно менять «порцию» энергии, передаваемой каждый период на выход преобразователя с тем, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Максимальное значение выходного тока ограничено и реализуется при Uуc=0 (первый импульс тока на фиг.4). В режиме «холостого тока» преобразователя напряжение Uуc, наоборот, максимально и близко по значению к Uпоp, а импульс тока ключа 1 минимален по амплитуде и длительности, а иногда и вообще отсутствует.
1
4
Если предлагаемые преобразователи напряжения соединить для параллельной работы по схеме, показанной на фиг.2, то их работа не отличается работы прототипа и проиллюстрирована на фиг.6 на интервале времени t≤t≤t. При этом напряжения на выводах «ПАРАЛ» Uпарал1-Uпарал3 показаны на фиг.6б. Работая по такой схеме включения преобразователь имеет такие же недостатки, что и прототип.
При замыкании выводов «ПАРАЛ» выходное напряжении преобразователей уменьшается до значения Uвых.ном3, а на выводах «ПАРАЛ» устанавливается такое напряжение, которое обеспечивает на выходе требуемый ток в нагрузке. Работа преобразователей в этом режиме
5
8
показана на фиг.6 на интервале времени t≤t≤t. Один из преобразователей, в данном случае преобразователь Пр3, работает в режиме стабилизации выходного напряжения, а остальные - в режиме стабилизации выходного тока, уровень которого для каждого из преобразователей Пр1, Пр2 определяется величиной напряжения Uпарал. При этом их выходные напряжения меньше номинального значения. Каждый преобразователь напряжения Пр1-Пр3 передает на выход одну и ту же часть своей мощности при любом значении его максимальной выходной мощности. Если параллельно соединить преобразователи одинаковой мощности, рассмотренный алгоритм работы приводит к выравниванию выходных токов преобразователей без дополнительных узлов, в противоположность схеме приведенного аналога [1].
Совместная работа всех преобразователей, находящихся в соединении, приводит к их равномерной относительной загрузке. Ресурс их расходуется также равномерно, что повышает надежность системы электропитания в целом. Поскольку все преобразователи работают одновременно, зарядка емкости нагрузки происходит всегда полным током, что увеличивает скорость ее заряда и расширяет область применения предлагаемого преобразователя напряжения.
Источники, используемые при написании заявки.
1. И.Твердев, А.Нагайцев. Параллельное включение модулей питания. Материалы семинара «Производство источников электропитания промышленного и специального назначения». М, 2006 г., с.56-59, рис.3.
2. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Издание 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - с.246, рис.18.