ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ БЛОКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ELECTRONIC FUSE FOR ELECTRIC POWER SUPPLY UNIT

Изобретение относится к защитной схеме блока электропитания установки постоянного тока согласно п.1 ограничительной части формулы изобретения.
В тактируемом блоке электропитания из соображений защиты мощных полупроводниковых приборов и материала обмоток почти всегда вводится ограничение тока. Это ограничение тока приводит к тому, что при распределении выходной мощности по нескольким ветвям при защите с помощью плавкого предохранителя или автомата в случае короткого замыкания может не оказаться необходимого тока включения. Электронные предохранители с точной характеристикой предельной нагрузки и точной величиной тока включения уже поступили в продажу. Однако эти схемы дороги потому, что при большой нагрузке в переключательных элементах предохранителя теряется очень большая мощность.
Поэтому в уровне техники предлагается, например, ограничение нагрузок такими видами, которые пропускают лишь малые пусковые токи перегрузки и у которых поэтому импульсная мощность потерь меньше, чем у токоограничивающих выключателей, работающих в фазе пуска в линейном режиме. В течение обычных фаз импульсов в линейном режиме (5-200 мсек) мощность потерь не может отводиться из транзистора достаточно быстро, так что мощность потерь приходится потреблять исключительно его тепловой емкости. Поэтому используемый кремниевый чип толщиной около 100 мкм и площадью в несколько квадратных миллиметров может потреблять энергию только в весьма ограниченных количествах.
Поэтому в уровне техники предлагается также переложить мощность потерь на дополнительное сопротивление, которое управляется отдельным транзистором, и тем самым получить в распоряжение значительно большую массу для энергопотребления. В соответствии с заданием по использованию любых заданных значений по (регулируемой) защите в случае максимальной мощности потерь сопротивление может принять на себя только 75% энергии. Таким образом, оставшиеся 25% транзисторы должны покрывать за счет своей тепловой емкости. Такая схема известна из WO 02/082611.
C помощью некоторого количества резисторов на большую мощность рассеяния с последовательно подключенным к каждому из них электронным выключателем при соответствующей градации путем выбора правильной комбинации включаемых и выключаемых транзисторов также можно добиться общего активного сопротивления между нагрузкой и источником питания, так чтобы нагрузочный ток не превышал заданных пределов.
В принципе все существующие на сегодняшний день электронные предохранители отличаются тем, что они установлены на неизвестном расстоянии от блока электропитания. Это означает, что конструкция предохранителя должна считаться этим и при подключении нагрузок увеличивать ток в нагрузку. Активной ветвью должен быть положительный провод (например, + 24В), а нулевой провод нагрузки пространственно должен полностью проходить отдельными путями, как, например, у водителей автомобилей, когда соединение с массой осуществляется через кузов и где также подключен провод только напряжением + 12В. Поскольку нулевой провод нагрузки никогда или почти никогда не доходит до точки предохранителя, тактирующие схемы невозможны. По нулевому проводу всей установки пошел бы пульсирующий ток, вызывающий увеличение потенциала массы и отказы в работе блоков и нагрузок.
Другая проблема возникает при подключении больших нагрузок, как, например, при зарядке нагрузочных емкостей (например, входного блока преобразователя постоянного тока) или малооборотных двигателей. Проблема заключается в том, что в промышленных устройствах управления используется множество нагрузок с управляющим напряжением 24В (например, электромагнитные вентили, блоки процессора с собственными преобразователями постоянного тока, конденсаторами, подключаемыми в незаряженном состоянии, высокооборотные двигатели постоянного тока, лампы накаливания, нить накала которых сначала должна нагреваться и т.п.). Многие из этих нагрузок обладают свойством при подключении пропускать на короткое время ток, превышающий номинальный. При использовании тактируемого блока электропитания проявляется также отрицательный аспект этих сетевых блоков питания. Блоки почти не в состоянии выдавать на выходе сколь-либо значительные кратковременные максимальные токи. При превышении номинальных токов блока электропитания почти без задержки срабатывает токоограничитель, и в результате происходит снижение выходного напряжения. Вследствие этого «рушится» вся система управления. Теперь, если хотят продолжать использовать тактируемый блок электропитания, то появляется лишь возможность ограничения тока в отдельных нагрузках до величины, лишь незначительно превышающей потребление тока, определенное для этого потребителя при проектировании установки. При этом, как правило, мощность тактируемого блока электропитания при проектировании установки определяется на основании суммы отдельных ожидаемых потребителей (нагрузок) и их одновременного подключения, и в соответствии с этим выбираются типы сетевых блоков питания. В результате ограничения максимального тока в нагрузке, при необходимости лишь незначительно превышающего номинальный ток и тем самым не выходящего за рамки общего проектного потребления энергии установкой, происходит падение высоких оборотов в этих нагрузках. Таким образом, двигатель, например, медленнее ускоряется, конденсатор медленнее заряжается, лампа накаливания зажигается более плавно и т.п.Эти задержки в большинстве случаев не являются функционально критическими, однако они должны учитываться проектировщиком установки. Существенным преимуществом является то, что подача управляющего напряжения (например 24В) при подключении потребителя перестает прерываться, и отказа установки не происходит.
Этот плавный пуск требует, чтобы разность между энергией источника питания и энергией, потребляемой нагрузкой в виде произведения тока на напряжение нагрузки на переключательном элементе, должна была уменьшаться. При зарядке конденсатора, например, в первый момент он действует как короткое замыкание, а произведение напряжения на установившийся ток должно полностью падать на переключательном элементе. Это может быть сопротивление или лучше переменное сопротивление, или полупроводник, работающий как переменное сопротивление. При соответствующих мощных конденсаторах энергия, преобразованная в переключательном элементе (или сопротивлении) в тепло, может стать большой и очень быстро превышает возможности транзистора.
Таким образом, целью изобретения является создание лишенной этих недостатков защитной схемы блока электропитания установки постоянного тока и, в частности, дающей экономичную возможность выполнения электронного предохранителя в выходном контуре регулируемого блока электропитания.
Эти цели достигаются с помощью признаков п.1 формулы изобретения. П.1 формулы изобретения относится к защитной схеме блока электропитания установки постоянного тока, в которой согласно изобретению предлагается, чтобы она устанавливалась на выходе блока электропитания и чтобы между положительной клеммой блока электропитания и положительной выходной клеммой установки постоянного тока предусматривались переключательный элемент, а также дроссель, включенный между переключательным элементом и положительной выходной клеммой, причем чтобы дроссель со своей стороны, соединенной с положительной выходной клеммой, был подключен к выходному конденсатору, а сторона дросселя, соединенная с переключательным элементом, была подключена к диоду, включенному параллельно выходному конденсатору, со стороны катода, а также чтобы предусматривалось устройство управления переключательным элементом, включающее переключательный элемент в зависимости от тока, измеренного в защитной схеме.
Такая схема известна также как преобразователь напряжения (Tiefsetzer). Благодаря использованию устройства согласно изобретению с предложенной защитной схемой непосредственно на выходе источника питания (например, блока электропитания 24 В) с гораздо меньшим общим количеством конструктивных элементов можно решать, в частности, проблему подключения больших нагрузок, как, например, зарядки нагрузочных емкостей (входного блока преобразователя постоянного тока) или малооборотных двигателей. Благодаря применению схемы согласно изобретению преобразования всей разностной энергии источника питания и нагрузки не требуется. Однако необходимо или интегрировать защитную схему согласно изобретению в блок электропитания, или установить блок электропитания по меньшей мере настолько близко, чтобы создать аналогичные условия электроснабжения.
Преимущество схемы согласно изобретению состоит в том, что в результате установки одного или нескольких преобразователей напряжения (Tiefsetzer) непосредственно на выходе блока электропитания предотвращаются отказы в работе подпитываемой установки. При этом каждому преобразователю напряжения (Tiefsetzer) для получения импульсных токов, необходимых в соответствии с условиями эксплуатации, требуется стабильное напряжение питания, поддерживаемое с помощью конденсатора. При этом переключающий транзистор, чтобы дать возможность намагниченному дросселю снова уменьшить свой ток, постоянно прерывает подачу тока из источника питания. При этом ток дросселя колеблется вокруг величины выходного тока. При этом двойная амплитуда изменяющегося тока называется Rippel, наконец, среднее значение дроссельного тока является выходным током.
Благодаря диоду, соединенному с дросселем, достигается автоматическая защита от отрицательных напряжений при отключении мощных индуктивных потребителей или при отключении блока электропитания.
Согласно п.2 формулы изобретения защитная схема встроена в корпус блока электропитания, причем в этом случае входной конденсатор защитной схемы может представлять собой также выходной конденсатор блока электропитания. Таким образом, можно сэкономить на одном конструктивном элементе.
Однако в качестве альтернативы согласно п.3 формулы изобретения защитная схема может быть выполнена в виде собственного узла для непосредственного подключения к блоку электропитания. Таким образом, схема согласно изобретению может выступать также в качестве токораспределителя.
Согласно п.4 формулы изобретения предусмотрено, чтобы защитная схема была выполнена в качестве собственного узла для удаленного от блока электропитания подключения к нему, причем собственный нулевой провод предусмотрен в качестве обратной связи с блоком электропитания, а вблизи защитной схемы предусмотрен сглаживающий фильтр для импульсных токов. Соответствующие сглаживающие фильтры для импульсных токов известны из уровня техники.
П.5 формулы изобретения предусматривает, чтобы переключательный элемент управлялся с помощью микропроцессора. При этом, как еще более подробно будет показано ниже, управляющая ВМ с регулярными интервалами может также посылать сигнал, подающий на отдельные выходы соответствующее действующее значение ограничения тока. Благодаря этому при замене блока электропитания, например, в случае повреждения, автоматическая юстировка может происходить лишь после ввода адреса прибора.
В качестве альтернативы использования дросселя п.6 формулы изобретения предусматривает использование только одного сопротивления. Защитная схема снова устанавливается на выходе блока электропитания, причем сопротивление включено последовательно с переключательным элементом между положительной клеммой блока электропитания и положительной выходной клеммой установки постоянного тока. Кроме того, сопротивление со своей стороны, соединенной с положительной выходной клеммой, подключено к выходному конденсатору. Кроме того, снова предусмотрено управление переключательным элементом, с помощью которого переключательный элемент включается в зависимости от тока, измеренного в защитной схеме. Хотя этот вариант осуществления в рамках изобретения также годится в качестве защитной схемы, он все же не является предпочтительным вариантом.
П.7 формулы изобретения относится схеме с блоком электропитания установки постоянного напряжения и по меньшей мере с двумя защитными схемами согласно изобретению по меньшей мере с двумя положительными выходными клеммами в качестве выходных каналов.
Таким образом, даже несколько каналов, именуемых в дальнейшем также выходными каналами, могут быть интегрированы в корпус, где они тем самым могут подпитываться от одного и того же источника тока. При этом, например, при включении выходных каналов, может быть предусмотрена синхронизация с тем, чтобы уменьшить нагрузку во входном конденсаторе защитной схемы, соответствующую выходному конденсатору блока электропитания, а тем самым и общую двойную амплитуду (Rippel) на выходе блока электропитания.
Согласно п.8 может быть предусмотрено, чтобы были предусмотрены входы для активации и дезактивации выходных каналов. Это достигается использованием электронных реле.
В случае нескольких выходных каналов согласно п.9 формулы изобретения может быть также предусмотрено, чтобы для управления переключательными элементами по меньшей мере двух защитных схем был предусмотрен отдельный микропроцессор.
П.10 формулы изобретения предусматривает, чтобы для управления переключательными элементами по меньшей мере двух защитных схем была предусмотрена аналогичная схема. Применение аналогичной схемы для управления переключательными элементами возможно также при наличии только одного канала.
Согласно п.11 формулы изобретения предусмотрено объединение мощных полупроводниковых приборов с устройством управления контура в одной специализированной большой интегральной схеме (ASIC).
Согласно п.12 формулы изобретения предусмотрена гибридная схема, содержащая мощные полупроводниковые приборы и преобразователи напряжения (Tiefsetzer) и которая, предпочтительно, может изготавливаться и монтироваться в виде модуля.
П.13 формулы изобретения относится к способу управления защитной схемой, причем предусматривается номинальная величина тока, а переключательный элемент приводится в действие лишь по истечении заданного времени превышения величины номинального тока в защитной схеме. Величина тока, превышающая величину номинального тока, называется током перегрузки. Время до приведения в действие переключательного элемента, а тем самым до срабатывания защитной схемы зависит от того, насколько превышена заданная величина номинального тока. Этот промежуток времени может быть также поставлен в зависимость от того, насколько велик ток перегрузки по сравнению с величиной номинального тока, и быть примерно настолько дольше, насколько меньше ток перегрузки по сравнению с величиной номинального тока.
Приведение в действие переключательного элемента для срабатывания защитной схемы может быть также поставлено в зависимость от положения с нагревом мощных полупроводниковых приборов и других конструктивных элементов в цепи тока. При этом текущие значения рассчитываются путем измерения температуры или только окружающей температуры и токовых характеристик.
Согласно п.14 формулы изобретения предусмотрено, чтобы дополнительно задавалась величина ограничения тока, превышающая величину номинального тока, а по истечении заданной длительности превышения величины ограничения тока в защитной схеме отключалась соответствующая ей выходная клемма. В свою очередь, длительность действия ограниченной величины тока может быть поставлена в зависимость от заданной величины номинального тока и быть примерно настолько дольше, насколько меньше величина номинального тока. В свою очередь приведение в действие переключательного элемента для срабатывания защитной схемы может быть также поставлено в зависимость от положения с нагревом мощных полупроводниковых приборов и других конструктивных элементов в цепи тока.
П.15 формулы изобретения предусматривает, чтобы при напряжении ниже входного напряжения защитной схемы соответствующая ей выходная клемма дезактивировалась. Таким образом, при напряжении ниже входного напряжения защитной схемы, соответствующего выходному напряжению блока электропитания, соответствующий перегруженный выход, т.е., тот выход, нагрузка которого за счет тока перегрузки перегружает блок электропитания настолько, что происходит ограничение тока и тем самым падение выходного напряжения на нем, отключается. Таким образом, блок электропитания снова переходит в нормальный режим и, например, при наличии нескольких выходов снова обеспечивает номинальное напряжение. Для линейных регуляторов такая система уже описана в ЕР 1236257.
Наконец, п.16 формулы изобретения относится к использованию преобразователя напряжения (Tiefsetzer) в качестве токоограничивающей защитной схемы на выходе блока электропитания установки постоянного тока.
Ниже изобретение более подробно описывается на примере осуществления с помощью приложенных фигур, при этом
фиг.1 изображает схему в соответствии с уровнем техники,
фиг.2 - предпочтительный вариант осуществления защитной схемы согласно изобретению в той рабочей фазе, в которой переключательный элемент закрыт,
фиг.3 - защитную схему на фиг.1 в той рабочей фазе, в которой переключательный элемент открыт, и
фиг.4 - типичное устройство установки при использовании защитной схемы согласно изобретению.
На фиг.1 изображена защитная схема в соответствии с уровнем техники с аналогичным ограничением тока. С левой стороны фиг.1 видны токовые клеммы 3, 4, а с правой стороны - выходные клеммы 1, 2. Выходные клеммы 1, 2 со стороны нагрузки соединены с установкой постоянного тока. В качестве токоограничителя предусмотрен переключательный элемент S1, который, однако работает без тактирования. При ограничении тока переключательный элемент S1 должен переходить в полупроводящее состояние, чтобы использовалась разность между входным напряжением (+24,1В/0В) и напряжением (+24В/0В) нагрузки. В результате на переключательном элементе S1 теряется большая мощность. Поэтому ограничение по времени должно ориентироваться на теплоемкость переключательного элемента S1.
На фиг.2, напротив, изображен предпочтительный вариант осуществления защитной схемы согласно изобретению в той рабочей фазе, в которой переключательный элемент закрыт. Защитная схема блока электропитания установки постоянного тока согласно изобретению установлена на выходе блока электропитания. Между положительной клеммой 3 блока электропитания и положительной выходной клеммой 1 установки постоянного тока предусмотрены переключательный элемент S1, а также дроссель L1, включенный между переключательным элементом S1 и положительной выходной клеммой 1, причем дроссель L1 со своей стороны, соединенной с положительной выходной клеммой 1, подключен к выходному конденсатору С2. Сторона дросселя L1, соединенная с переключательным элементом S1, подключена к диоду D1 со стороны катода.
При активации положительной выходной клеммы 1 переключательный элемент S1 переходит из выключенного состояния в тактовый режим. Путем плавного увеличения скважности импульсов до постоянно включенного состояния можно определять ток на выходе. Этот ток измеряется, например, на сопротивлении R1, работающем в качестве шунта, вследствие чего в зависимости от измеренного тока с помощью устройства управления (на фиг.1-4 не показано) оказывается воздействие на скважность импульсов. Диод D1 рассчитан лишь на режим короткого замыкания и поэтому в нормальном режиме работы не должен охлаждаться. Переключательным элементом S1 является полупроводниковый переключатель, предпочтительно, полевой МОП-транзистор. При использовании полевого МОП-транзистора в зависимости от используемого типа радиатор также может отсутствовать.
Переключательный элемент S1 работает в тактовом режиме лишь короткое время при включении, вследствие чего коммутационные потери происходят только в этой фазе. Поскольку в настоящее время в продаже уже имеются весьма низкоомные транзисторы, при окружающих температурах порядка 60°С и выходных токах порядка 10 А радиатор больше не нужен. Дроссель L1 постоянно обтекается током, поэтому ему длительное время нужно проводить его в условиях нагрева. Однако из-за скоротечности периода «разгона» в течение типичных 50-500 мсек дроссель не может долго отводить дополнительные потери, связанные с высокочастотным режимом. Дроссель L1 при соответствующей высокой частоте может быть выполнен в виде дросселя без ферромагнитного сердечника, причем речь идет только об обмотке без сердечника. Такой конструктивный элемент обычно изготавливается из эмалированного медного провода. Вследствие кратковременности режима в порядке альтернативы дроссель с ферритовым сердечником может быть оснащен сердечником с высокой магнитной проницаемостью, даже несмотря на большие потери на перемагничивание. Такими конструктивными элементами являются помехоподавляющие дроссели в форме стержневых или грибовидных сердечников. У них отсутствует замкнутый сердечник, поскольку благодаря этому упрощается и облегчается изготовление. В результате могут быть получены малогабаритные конструкции и меньшие постоянные потери в линии, поскольку благодаря использованию ферритового сердечника количество витков провода заметно сокращается. Обычный конденсатор для поддержания напряжения питания на входе отпадает, поскольку эту функцию принимает на себя выходной конденсатор блока электропитания, соответствующий входному конденсатору С1 защитной схемы.
Измерение тока может производиться с помощью сопротивления R1 в подводящем проводе электронного предохранителя. В порядке альтернативы сопротивление R1 может включаться в выходную линию защитной схемы непосредственно. Это имеет тот недостаток, что в блоке преобразователя напряжения (Tiefsetzer) в момент включения появляются неконтролируемые токи, поскольку прежде чем ток сможет поступить в нагрузку, сначала должен зарядиться выходной конденсатор С2. Вместо шунтирующего сопротивления измерение тока может производиться с помощью компенсированного преобразователя постоянного тока, как, например, датчика Холла.
Предпринимаются попытки полностью опустить сопротивление R1, можно также измерять падение напряжения на переключательном элементе S1. Если речь идет о полевом МОП-транзисторе, то здесь существует почти линейная зависимость между током и измеряемым падением напряжения. Однако большое влияние на эту зависимость имеет температура транзистора. При известной температуре транзистора с помощью (аналоговой или цифровой) компенсационной схемы можно рассчитать фактический ток. Однако оценка тока при высокой тактовой частоте переключательного элемента S1 становится затруднительной, поскольку незначительные измеренные значения (во время включения переключательного элемента S1) с большой частотой чередуются с полным напряжением питания (во время выключения переключательного элемента S1). Другую альтернативу измерения тока представляет собой дроссель L1, а именно, с помощью RC-звена, параллельного дросселю L1, которое имеет постоянную времени, значительно превышающую длительность периода тактовой частоты в случае ограничения тока или пуска. Таким образом, омическое падение напряжения на дросселе L1 может быть измерено и использовано для регулирования в качестве действительного значения. Здесь также имеет место зависимость сопротивления дросселя L1 от температуры. Если температура дросселя L1 известна, то при измерении падения напряжения на транзисторе происходит компенсация. Кроме того, ток может измеряться с помощью так называемых Sense-Fets, это - полевые МОП-транзисторы, имеющие собственный выход датчика тока с возможностью оценки.
Ниже речь пойдет о принципе работы защитной схемы согласно изобретению. Сначала измеряется ток в сопротивлении R1, и при превышении величины номинального тока переключательный элемент S1 открывается. Во время фазы выключения переключательного элемента S1 дроссель L1 имеет возможность уменьшить ток, так как он подает энергию в нагрузку. Поскольку ток через переключательный элемент S1 прекращается, не протекает также никакого тока через входной конденсатор С1 и сопротивление R1. Поэтому входной конденсатор С1 должен быть в состоянии подавать импульсы тока. Однако это необходимо только в момент ограничения тока на выходе, например, при включении и тем самым при зарядке выходного конденсатора С2 и возможных нагрузочных конденсаторов на выходе, а также в режиме ограничения тока. Ограничение тока ограничено по времени и служит для предотвращения обратного действия в результате подключения узлов при работающей установке (при так называемом «Hot-plugging») или при отсутствии гармоник тока и тем самым посадки напряжения на токоведущей шине (24,1В/0В).
В начале следующего периода переключательный элемент S1 снова включается. При включении тока может быть задана линейно нарастающая функция тока, которой должно следовать ограничение тока. Проще, а при неизвестных нагрузках на практике надежнее задавать линейно нарастающую функцию напряжения, которая возрастает при соблюдении максимального предела тока. При внезапно возникающих нагрузках, как, например, при подключении преобразователей постоянного тока, вряд ли может произойти повторная посадка напряжения, что при линейно нарастающей функции тока вполне может иметь место. Альтернативой обоих способов может быть управление исключительно с помощью ограничения тока, так чтобы схема не учитывала напряжение на выходе. После активации выхода переключательный элемент S1 остается включенным до тех пор, пока ток в датчике тока не превысит максимального значения. После этого происходит отключение, а в следующем периоде повторное включение.
Наконец, на фиг.4 изображено типичное устройство установки с использованием электронных защитных схем согласно изобретению, причем стрелки показывают направление тока при постоянной нагрузке. При этом нулевое напряжение для электронной защитной схемы служит лишь для подпитки внутренней электроники. Нагрузки подключаются к нулевому напряжению по отдельным проводам. Это подключение обычно происходит не к той же точке, что и подключение электронной схемы, поскольку в противном случае импульсные токи тактирующей системы могут привести к появлению в установке неконтролируемых токов, а это вызовет повышение потенциала массы. Это повышение потенциала массы прежде всего связано с индуктивностями кабелей и проводов, поскольку обычно речь идет о больших петлях и потому о больших индуктивностях.
Следует заметить, что защитная схема согласно изобретению годится также для обнаружения обрыва провода путем зарядки выходного конденсатора С2 через высокоомное сопротивление с помощью более высокого напряжения (например, 26В). Если напряжение на выходе источника питания, превышает величину напряжения, определенную изготовителем, например, на 2В, то нагрузка вообще отсутствует, вследствие чего можно сделать вывод об обрыве провода. Кроме того, аналоговый сигнал можно представить в качестве отображения тока на высокоомных «защищенных» выходах, так что оператор с помощью вольтметра может однозначно измерить текущее значение тока. К тому же могут быть, например, предусмотрены отверстия в печатной плате и контакты на ее оцинкованных поверхностях.
Таким образом, с помощью схемы согласно изобретению реализуется защитная схема блока электропитания установки постоянного тока, представляющая собой экономичную возможность выполнения электронного предохранителя в выходном контуре регулируемого блока электропитания.