ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ КЛЮЧЕЙ
VOLTAGE CONVERTER WITH KEY PROTECTION

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к преобразователям, входящим в состав систем энергообеспечения электронной и электромеханической аппаратуры, а также оборудования для транспорта.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство, описанное в патенте US 7336057.
Устройство по патенту США US 7336057 содержит обычный повышающий регулятор, подключаемый к полюсам источника постоянного тока, DC/DC преобразователь, содержащий полумост на основе двух ключей и двух конденсаторов. В диагональ полумоста включена первичная обмотка трансформатора, а его вторичная обмотка через выпрямитель подключена к индуктивно-емкостному фильтру, к выходу которого подключается нагрузка. В устройстве используются датчик тока, датчик напряжения, включенные на выходе DC/DC преобразователя, устройство управления, первым и вторым входами связанное соответственно с первым датчиком тока и первым датчиком напряжения и формирующее на своем первом выходе сигнал управления повышающим регулятором, а на втором - сигналы управления DC/DC преобразователем и повышающим регулятором с учетом отклонений сигналов датчика тока и датчика напряжения от соответствующих заданных значений. Решение, заключающееся в установке датчиков напряжения и тока в цепях, для выявления превышения напряжения и тока допустимых значений является очевидным для специалиста (RU 117744 U1).
Известна также установка контактора на входе устройства (RU 2447571).
Техническим результатом, на получение которого направлено данное изобретение, является последовательность переключений силовых ключей и контактора, осуществляемая с помощью датчиков напряжения и тока, в результате которой защищаются от выхода из строя силовые транзисторы при повышении на них напряжения и повышении тока через эти транзисторы.
На Фиг. 1 представлена схема устройства.
Устройство преобразования напряжения содержит повышающий регулятор на основе двух ключей, двух диодов и двух конденсаторов, входом подключенный к полюсам источника постоянного напряжения, а выходом соединенный с входом DC/DC преобразователя. DC/DC преобразователь, содержит разделительный трансформатор Т1, своей вторичной обмоткой подключенный к нагрузке Rн через выпрямитель В1 и сглаживающий конденсатор С4.
Повышающий регулятор подключается к одному полюсу источника постоянного напряжения через цепь, состоящую из последовательно включенных входного ключа VT1, замыкающего контакта контактора К1 и датчика входного тока ДТ1, и содержит дроссель L1, одним выводом подключенный к аноду диода VD1 и коллектору ключа VT2, а другим - к эмиттеру ключа VT1. Параллельно силовым выводам ключа VT1 подключен резистор R1. Эмиттер ключа VT2 подключен к коллектору ключа VT3, который своим эмиттером подключен ко второму полюсу источника постоянного напряжения. Между точкой соединения датчика тока ДТ1, контактом К1 и вторым полюсом источника постоянного напряжения подключен входной датчик напряжения ДН1. Точка соединения эмиттера ключаУТ2 и коллектора ключа VT3 подсоединена к общей точке конденсаторов С1 и С2 DC/DC преобразователя. Эмиттер ключа VT3 и второй полюс источника постоянного напряжения подсоединены к катоду диода VD2. Катод диода VD1 подсоединен к первому выводу конденсатора С1 и коллектору ключа VT4 DC/DC преобразователя. Анод диода VD2 подсоединен к первому выводу конденсатора С2 и эмиттеру ключа VT5 DC/DC преобразователя. Общие точки конденсаторов С1 и С2 и ключей VT2 и VT3 подсоединены к последовательной цепи, состоящей из первичной обмотки W1 трансформатора Т1, конденсатора С3 и датчика тока ДТ2. Датчик тока ДТ2 подсоединен к общей точке ключей VT4 и VT5. На выходе устройства преобразования напряжения параллельно нагрузке Rн включен датчик напряжения ДН3.
Для защиты преобразователя напряжения введены датчик входного напряжения ДН1, датчик входного тока ДТ1, датчик тока в диагонали DC/DC преобразователя ДТ2, датчик напряжения на выходе повышающего регулятора ДН2 и датчик напряжения ДН3 на выходе устройства преобразования напряжения.
Устройство управления (Фиг. 1) получает сигналы от входных датчиков напряжения и тока (ДН1, ДТ1), от датчика тока ДТ2 в диагонали DC/DC преобразователя, от датчика напряжения ДН2 на выходе повышающего регулятора и датчика напряжения ДН3 на выходе устройства преобразования напряжения. Выходы устройства управления подключены к обмотке OKI, управляющей контактом К1, а также к управляющим выводам ключей VT1, VT2, VT3, VT4 и VT5.
Принцип работы схемы заключается в следующем
Начало работы
Контакт К1 разомкнут, токи через ключи VT1, VT2, VT3, VT4 и VT5 не протекают.
Замыкается контакт К1, входное напряжение через зарядный резистор R1, дроссель L1 и диоды VD1 и VD2 поступает на конденсаторы С1 и С2, заряжая их. После заряда конденсаторов С1 и С2 замыкается ключ VT1, шунтируя резистор R1. Далее устройство управления формирует управляющие импульсы ключей VT2, VT3, VT4 и VT5 таким образом, чтобы поддерживать заданное напряжение на нагрузке Rн, измеренное датчиком напряжения ДН3.
Обработка сигналов об аварийных ситуациях
Возрастание напряжения на нагрузке Rн, вызываемое, например, неисправностью датчика напряжения ДН3, обрывом цепи обратной связи по напряжению или какими-то другими причинами приводит к возрастанию напряжения на ключах повышающей ступени VT2, VT3 и DC/DC преобразователя VT4, VT5.
Контроль за напряжением на этих ключах выполняется датчиком напряжения ДН2. При достижении предельно допустимого напряжения на ключах DC/DC преобразователя VT4 и VT5 по информации от датчика напряжения ДН2 устройство управления запирает ключи повышающего регулятора VT2 и VT3, снимает напряжение с обмотки контактора ОК1 для размыкания контакта контактора К1 и запирает ключ VT1. При этом ключи DC/DC преобразователя VT4 и VT5 должны продолжать работать некоторое время передавая энергию в нагрузку Rн через трансформатор Т1. Если же ключи VT4 и VT5 запереть сразу в момент срабатывания датчика ДН2, то напряжение на ключах VT4 и VT5 может увеличиться еще больше из-за накопившейся энергии в дросселе L1.
Описанный выше процесс отключения также применяется при повышении напряжения на входе устройства преобразования напряжения. В этом случае отключение происходит по показанию датчика входного напряжения ДН1. Время размыкания контакта электромеханического контактора К1, как правило, велико, поэтому повышенное входное напряжение некоторое время поступает на ключи повышающего регулятора VT2, VT3 и DC/DC преобразователя VT4, VT5, что может вызвать их выход из строя. Для уменьшения напряжения, подаваемого на вход повышающего регулятора и DC/DC преобразователя, в устройстве используется ключ VT1, шунтирующий зарядный резистор R1. В момент срабатывания защиты по датчику входного напряжения ключ VT1 запирается и входное напряжение подается на элементы преобразователя напряжения через зарядный резистор R1. Время запирания ключа VT1 крайне мало по сравнению с временем отключения электромеханического контактора К1 Ключи DC/DC преобразователя VT4 и VT5 продолжают работать еще некоторое время, передавая энергию в нагрузку, а через резистор R1 продолжает протекать ток, из-за чего на резисторе R1 появляется напряжение. Чем выше величина входного напряжения устройства преобразования напряжения, тем выше ток через резистор R1, тем выше падение напряжения на резисторе R1. В момент прекращения работы ключей DC/DC преобразователя VT4 и VT5 контакт контактора К1 уже разомкнут и напряжение на вход повышающего регулятора не поступает.
Во время неуправляемого повышения напряжения на выходе повышающего регулятора, например, из-за неверного измерения выходного напряжения датчиком ДН3 также возрастает величина входного тока устройства преобразования напряжения, а также возрастают токи через ключи DC/DC преобразователя VT4 и VT5 и первичную обмотку W1 трансформатора Т1. При работе устройства преобразования напряжения на большую нагрузку Rн токи через ключ VT1, ключи повышающего регулятора VT2 и VT3, ключи DC/DC преобразователя VT4 и VT5 могут достигнуть критической для данных транзисторов величины. За контролем тока, протекающего через ключ VT1, ключи повышающего регулятора VT2 и VT3, ключи DC/DC преобразователя VT4 и VT5, в схему введены датчик входного тока ДТ1 и датчик тока ДТ2 в диагонали полумоста. При достижении предельно допустимого входного тока или тока в диагонали полумоста происходит запирание ключей VT4 и VT5 DC/DC преобразователя, ключей VT2 и VT3 повышающего регулятора, запирание входного ключа VT1 и отключение входного контактора К1. При этом из-за дросселя L1 происходит выброс напряжения, которое приложено к ключам VT1, VT2, VT3 и VT4. Это повышение напряжения ограничивается резистором R1, подключенным последовательно с дросселем L1.