Устройство активной балансировки с расширенным диапазоном напряжения срабатывания ключей шунтирующих цепей на МОП транзисторах для суперконденсаторного накопителя электрической энергии

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к схемам активной балансировки суперконденсаторов, и предназначена для защиты от перенапряжения каждого из последовательно соединенных суперконденсаторов в составе накопителя электрической энергии.
Известно устройство активной балансировки напряжений последовательно включенных суперконденсаторов (см. патент US 2003/0214267 А1, МПК H02J 7/00, опубликовано 20.11.2003), в котором к каждому суперконденсатору подключена схема балансировки, содержащая цепь источника опорного напряжения на основе резистора и стабилитрона, цепь резистивного делителя напряжения, задающего порог срабатывания шунтирующей цепи, операционный усилитель (в качестве компаратора), первый вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а на второй вход подано напряжение с делителя напряжения, выход операционного усилителя подключен к управляющему электроду ключа шунтирующей цепи, представляющей собой активное сопротивление, шунтирующее суперконденсатор, когда напряжение на нем превышает пороговое значение (описание к патенту).
Недостатками известного устройства являются:
- отсутствие фильтра нижних частот на выходе делителя напряжения;
- применение в качестве ключа шунтирующей цепи биполярного транзистора из-за высокого сопротивления между коллектором и эмиттером.
Известна схема балансировки на основе МОП транзисторов и метод ее применения для балансировки суперконденсаторов, соединенных последовательно (см. к патент US 2016/0126826 А1, МПК Н02М 1/32, опубликовано 05.05.2016), в котором каждый суперконденсатор шунтируется МОП транзистором, затвор которого соединен со стоком и положительной обкладкой суперконденсатора, а исток с его отрицательной обкладкой.
Недостатками известного устройства являются:
- плавающий порог срабатывания;
- высокий ток утечки при напряжениях ниже номинального. Наиболее близким к заявленному решению может быть отнесена электрическая схема активной балансировки напряжения суперконденсаторов, представленная в устройстве электрическом суперконденсаторном ( см. патент № 2543506 С2 (Россия), МПК Н02Н 7/16, опубликовано 10.03.2015. - Бюл. № 7),содержащая источник опорного напряжения, два делителя напряжения с конденсаторами фильтров, два компаратора, устройство оптической развязки сигнала перегрузки, схему защита компараторов от отрицательного напряжения питания, диод защиты суперкондесаторов от переполюсовки, шунтирующий n-канальный МОП транзистор, шунтирующий резистор, RC фильтр нижних частот в цепи питания компараторов и источник опорного напряжения, к выходу фильтра подключены два делителя напряжения, а также коллектор биполярного р-n-р транзистора защиты от отрицательного напряжения питания компараторов, эмиттер которого подключен к минусу питания, а база через токоограничивающий резистор к плюсу питания, выход первого делителя связан с неинвертирующим входом первого компаратора и конденсатором фильтра, выход второго делителя связан с неинвертирующим входом второго компаратора и конденсатором фильтра, к инвертирующим входам компараторов подключен источник опорного напряжения и конденсатор фильтра, выход первого компаратора подключен к затвору n-канального МОП-транзистора шунтирующей цепи, сток которого соединен с катодом диода защиты от переполюсовки, а через сопротивление шунтирующего резистора связан с плюсом питания, а исток с анодом диода и минусом питания, выход второго компаратора подключен к затвору n-канального МОП транзистора, исток которого подключен к минусу питания, а цепь стока через диод диодно-транзисторной оптопары развязки сигнала перегрузки и токоограничивающий резистор к плюсу питания.
К недостаткам такого устройства можно отнести необходимость исключительного применения в качестве ключей шунтирующей цепи МОП транзисторов с пороговым уровнем напряжения отпирания на управляющем электроде (напряжение между затвором и истоком) не выше уровня номинального напряжения суперконденсатора (2,7 В), что резко ограничивает ряд применяемых полевых транзисторов в ущерб их прочим электрическим характеристикам и характеристикам стойкости к внешним воздействующим факторам.
Таким образом, цель изобретения - расширение диапазона напряжения срабатывания ключа на полевом транзисторе в шунтирующей цепи ячейки активной балансировки.
Поставленная цель достигается тем, что в ячейку активной балансировки 1, используемую для балансировки суперконденсатора первого по порядку от плюса питания в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя, содержащую фильтр, компаратор, RC фильтр питания компаратора, делитель напряжения, выход которого соединен с конденсатором фильтра и неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого подключен к внутреннему источнику опорного напряжения, внутренний источник опорного напряжения, шунтирующий резистор введены токоограничивающий резистор управляющего транзистора, токоограничивающий резистор ключевого транзистора, нагрузочный резистор, р-канальный МОП транзистор шунтирующей цепи, ключевой биполярный n-p-n транзистор, управляющий биполярный p-n-р транзистор, база которого через токоограничивающий резистор соединена с выходом компаратора, выполненным по схеме с открытым коллектором, эмиттер которого соединен с плюсовым выводом балансируемого суперконденсатора, а коллектор через токоограничивающий резистор соединен с базой ключевого биполярного n-p-n транзистора, эмиттер которого подключен к минусовому выводу суперконденсатора второго по порядку от плюса питания в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя, коллектор соединен с затвором р-канального МОП транзистора шунтирующей цепи, а через резистор нагрузки с плюсовым выводом балансируемого суперконденсатора, а в ячейку активной балансировки 2, используемую для балансировки второго, третьего и так далее суперконденсаторов по порядку в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя от плюса питания, содержащую фильтр, компаратор, RC фильтр питания компаратора, делитель напряжения, выход которого соединен с конденсатором фильтра и неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, источник опорного напряжения, последовательно соединенные шунтирующий резистор и шунтирующий n-канальный МОП транзистор между плюсовым и минусовым выводами балансируемого суперконденсатора, введены токоограничивающий резистор ключевого транзистора, нагрузочный резистор, ключевой биполярный p-n-р транзистор, база которого через токоограничивающий резистор соединена с выходом компаратора, выполненным по схеме с открытым коллектором, эмиттер соединен с плюсовым выводом суперконденсатора предшествующего по порядку в цепи суперкоденсаторов накопителя от плюса источника питания, а коллектор соединен с затвором n-канального МОП транзистора шунтирующей цепи, а через резистор нагрузки с минусовым выводом балансируемого суперконденсатора.
Заявляемое устройство активной балансировки с расширенным диапазоном напряжения срабатывания ключей шунтирующих цепей на МОП транзисторах для суперконденсаторного накопителя электрической энергии поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема ячейки активной балансировки 1 для балансировки суперконденсатора первого по порядку следования от плюса питания в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя;
Фиг. 2 приведена электрическая принципиальная схема ячейки активной балансировки 2 для активной балансировки суперконденсатора второго, третьего и так далее по порядку следования в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя от плюса питания;
Фиг. 3 приведен накопитель электрической энергии на основе последовательного соединения суперконденсаторов с ячейкам и активных балансировкок 1 и 2, со схемой подключения.
На фиг. 1 ячейка активной балансировки 1 содержит конденсатор фильтра 105, резистивный делитель напряжения на резисторах 106 и 107, RC фильтр 108 и 109, компаратор и источник опорного напряжения в составе одной микросхемы ПО, токоограничивающий резистор управляющего транзистора 111, управляющий биполярный p-n-р транзистор 112, токоограничивающий резистор ключевого транзистора 113, нагрузочный резистор 114, ключевой биполярный n-p-n транзистор 115, шунтирующий р-канальный МОП транзистор 116, шунтирующий резистор 117.
Устройство работает следующим образом:
В ячейке активной балансировки 1 напряжение на резисторы 106 и 107 делителя напряжения подается через выводы 102 и 103 от заряжаемого балансируемого суперконденсатора первого по порядку в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя от плюса источника. Для снижения уровня высокочастотных помех между неинвертирующим входом компаратора в составе микросхемы 109 и минусовым выводом балансируемого суперконденсатора подключен конденсатор фильтра 105, а напряжение питания на вход питания микросхемы ПО подается через RC фильтр 108 и 109. На инвертирующий вход компаратора в составе микросхемы 110 подается напряжение от генератора опорного напряжения в составе микросхемы 110. По достижении на неивертирующем входе напряжения свыше опорного открывается выходной транзистор компаратора в составе микросхемы 110, выполненный по схеме с открытым коллектором, открывается эмиттерный переход управляющего транзистора 112, и через токоограничивающий резистор 111 течет базовый ток транзистора 112. Коллекторный ток управляющего транзистора 112 через токоограничивающий резистор 113 отпирает ключевой транзистор 115. Через него течет ток, на нагрузочном резисторе 114 падает напряжение, и к затвору шунтирующего р-канального МОП транзистора 116 через вывод 104, подключенный к минусовому выводу суперконденсатора второго по порядку в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя от плюса питания, прикладывается напряжение, состоящее из суммы напряжений зарядки первого суперконденсатора и второго суперконденсатора по порядку следования в последовательной цепи. Через открытый шунтирующий р-канальный МОП транзистор 116 и шунтирующий резистор 117 с вывода 101 от плюсового вывода суперконденсатора на вывод 103 к минусовому выводу суперконденсатора течет ток балансировки. Таким образом, для отпирания шунтирующего МОП транзистора 116 ячейки активной балансировки суперконденсатора первого в последовательной цепи накопителя от плюса питания, формируется суммарное напряжение зарядки сразу от двух суперконденсаторов - первого и второго. В случае подключения вывода 104 к минусовому выводу третьего, четвертого и так далее суперконденсатора, напряжение может утраиваться, учетверяться и так далее.
На фиг. 2 ячейка активной балансировки 2 содержит конденсатор фильтра 205, резистивный делитель напряжения на резисторах 206 и 207, RC фильтр 208 и 209, компаратор и источник опорного напряжения в составе одной микросхемы 210, токоограничивающий резистор 211, ключевой биполярный p-n-р транзистор 212, нагрузочный резистор 213, шунтирующий резистор 214, шунтирующий р-канальный МОП транзистор 215. Устройство работает следующим образом.
В ячейке активной балансировки 2 напряжение на резисторы 206 и 207 делителя напряжения подается через выводы 203 и 204 от заряжаемого балансируемого суперконденсатора либо второго, либо третьего и так далее в последовательной цепи по порядку от плюса источника. Также напряжение от балансируемого суперконденсатора через RC фильтр поступает на выводы питания микросхемы 210. С выхода делителя напряжение подается на неинвертирующий вход компаратора в составе микросхемы 210. Между неивертирующем входом компаратора в составе микросхемы 210 и минусовым выводом балансируемого суперконденсатора подключен конденсатор фильтра 205. На инвертирующий вход компаратора подается напряжение от генератора опорного напряжения в составе микросхемы 210. По мере зарядки суперконденсатора и достижении на неинвертирующем входе компаратора напряжения свыше опорного открывается выходной транзистор компаратора, выполненный по схеме с открытым коллектором, открывается эмиттерный переход ключевого транзистора 212, через токоограничивающий резистор 211 течет базовый ток. На коллекторном нагрузочном резисторе 213 падает напряжение, и к затвору шунтирующего n-канального МОП транзистора 215 через вывод 201, подключенный к плюсовому выводу суперконденсатора, предыдущего по порядку следования в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя от плюса питания, относительно балансируемого, прикладывается суммарное напряжение зарядки. Суммарное напряжение складывается из напряжения зарядки балансируемого суперконденсатора и напряжения зарядки предыдущего суперконденсатора по порядку следования в последовательной цепи суперконденсаторов от плюса питания. Через открытый шунтирующий n-канальный МОП транзистор 215 и шунтирующий резистор 214 с вывода 202 от плюсового вывода балансируемого суперконденсатора на вывод 204 к минусовому выводу балансируемого суперконденсатора течет ток балансировки. Таким образом, для отпирания шунтирующего n-МОП транзистора ячейки активной балансировки суперконденсатора второго, третьего и так далее по порядку в последовательной цепи накопителя от плюса питания, формируется напряжение, состоящее из суммы напряжений зарядки сразу двух суперконденсаторов - балансируемого и предыдущего по порядку следования в последовательной цепи накопителя. А в случае подключения вывода 201 к плюсовому выводу суперконденсатора, отстоящего от балансируемого на две, три и так далее позиции ранее в последовательной цепи накопителя, напряжение может утраиваться, учетверяться и так далее.
На фиг. 3 накопитель электрической энергии на основе последовательного соединения суперконденсаторов с ячейкам и активных балансировкок 1 и 2 состоит из, как минимум, двух последовательно соединенных суперконденсаторов 301. Параллельно суперконденсаторам 301 подключены: ячейка активной балансировки 1 302 к первому по порядку следования суперконденсатору в последовательной цепи накопителя от плюса питания и ячейки активной балансировки 2 303 ко второму суперконденсатору, третьему и так далее по порядку следования в последовательной цепи от плюса источника питания. При этом, у суперконденсатора 301 первого в цепи накопителя ячейка активной балансировки 302 имеет вывод 3, подключенный к минусовому выводу второго суперконденсатора 301 в последовательной цепи накопителя. Ячейки активной балансировки 303 второго, третьего и так далее суперконденсаторов в цепи накопителя имеют вывод 3, подключенный к плюсовому выводу предыдущего суперконденсатора в цепи относительно балансируемого, то есть для N-го балансируемого суперконденсатора, они подключены плюсовому выводу (N-1) - го суперконденсатора от плюса питания.
Таким образом, в отличие от известных, предложенное устройство активной балансировки за счет применения ячейки активной балансировки 1 для балансировки первого суперконденсатора и ячеек активной балансировки 2 для балансировки второго, третьего и так далее суперконденсаторов по порядку следования от плюса питания в последовательной цепи суперконденсаторов накопителя расширяет диапазон срабатывания МОП транзисторов, применяемых в качестве ключей шунтирующих цепей, на величину напряжения зарядки соседнего с балансируемым суперконденсатора. Для случая первого суперконденсатора по порядку следования от источника питания - на величину второго следующего по порядку, а для второго, третьего и так далее - на величину напряжения зарядки суперконденсатора предыдущего в цепи следования от источника питания. А поскольку емкости суперконденсаторов, применяемых в составе накопителя, приблизительно равны, то и напряжения зарядки на них также приблизительно равны. Поэтому можно говорить, что в предложенном устройстве активной балансировки напряжение, прикладываемое для отпирания ключевых МОП транзисторов, приблизительно удваивается.