ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ
ALTERNATING-TO-DIRECT CURRENT CONVERTER WITH GALVANIC ISOLATION

Настоящее изобретение касается преобразователя переменного тока в постоянный с гальванической развязкой, используемого, например, в сети электрического питания летательного аппарата.
Уровень техники
На борту самолета электрическую энергию производит генератор переменного тока, вращаемый двигателем самолета. Генератор переменного тока выдает переменное напряжение, преобразуемое в постоянное напряжение для обеспечения питания бортового электрического оборудования, установленного в самолете.
В наиболее упрощенном виде преобразование осуществляют при помощи трансформатора, содержащего первичную обмотку, соединенную с генератором переменного тока, и вторичную обмотку, соединенную с выпрямляющим мостом, связанным с фильтровым конденсатором. Напряжение на выходе выпрямляющего моста представляет собой синусоиду с двойным полупериодом, при этом потребляемый ток имеет сильное искажение, что приводит к снижению производительности трансформатора и генератора переменного тока, к перегреву проводников и высокочастотному электромагнитному излучению, являющемуся источником помех.
Для устранения этого недостатка осуществляют фильтрование путем последовательного соединения фильтра с первичной обмоткой трансформатора. Однако этот вариант не приемлем, когда частота переменного напряжения меняется, например, в случае генератора, вращаемого турбиной реактора, в котором частота меняется примерно от 360 Гц до 800 Гц.
Известно также использование схемы коррекции коэффициента мощности или ККМ для уменьшения искажения и придания потребляемому току формы волны, идентичной входному напряжению, и именно формы выпрямленной синусоиды с двойным полупериодом. Существуют различные структуры ККМ.
В структуре типа "BOOST" схема не содержит гальванической развязки, что предполагает добавление к этой схеме преобразователя постоянного тока в постоянный, обеспечивающего эту функцию. Эта система имеет относительно низкую общую производительность, а также отличается большими габаритами и весом.
В структуре типа "FLYBACK" схема содержит развязывающий трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого имеют противоположное направление. При работе схем ККМ этого типа периодически происходит накапливание большого количества энергии в магнитном сердечнике трансформатора. Поэтому для больших значений мощности необходимо использовать большие трансформаторы, что приводит к увеличению массы и габаритов схемы.
В структуре типа "FORWARD" схема тоже содержит развязывающий трансформатор, но его первичная и вторичная обмотки имеют одинаковое направление. В схеме этого типа невозможно использовать ток по всей полученной синусоиде и, следовательно, потреблять ток, соответствующий форме волны входного напряжения.
Объект изобретения
Объектом настоящего изобретения является структура преобразователя с улучшенными характеристиками.
Сущность изобретения
Для этого изобретением предлагается преобразователь переменного тока в постоянный, содержащий на входе выпрямляющую схему, последовательно соединенную с первичной обмоткой развязывающего трансформатора и с ограничительным переключателем, соединенным со схемой управления на основе широтно-импульсной модуляции, при этом развязывающий трансформатор содержит первую вторичную обмотку, которая имеет одинаковое направление с первичной обмоткой и которая соединена с выходной линией преобразователя через диод и катушку фильтрации, при этом выходная линия соединена с выходным конденсатором, при этом развязывающий трансформатор содержит вторую вторичную обмотку, которая имеет направление, противоположное первичной обмотке и которая напрямую соединена с выходной линией через диод.
Таким образом, при значениях напряжения от среднего к высокому энергия передается на выход через первую вторичную обмотку, диод и катушку фильтрации. Это позволяет пропускать большие мощности. Но, если напряжение является низким, энергия, накопленная в магнитном сердечнике трансформатора, может при размыкании ограничительного переключателя передаваться в выходной конденсатор через вторую вторичную обмотку и соединенный с ней диод. Таким образом, вторая вторичная обмотка позволяет удалять энергию, скапливающуюся в магнитном сердечнике, в направлении выхода и избегать, таким образом, бесполезного расходования энергии. Она обеспечивает также потребление энергии, используемой выходом, при низких напряжениях (нижняя часть амплитуды синусоиды). Кроме того, остаточный поток, присутствующий в сердечнике при размыкании ограничительного переключателя, возбуждает вторую вторичную обмотку, которая удаляет соответствующую энергию в направлении выхода, сводя, таким образом, к минимуму появление перенапряжений при размыкании ограничительного переключателя, которые могут привести к выходу из строя ограничительного переключателя. Таким образом, всего один преобразующий каскад позволяет просто, надежно и эффективно реализовать гальваническую развязку и функцию ККМ за счет довольно высокого КПД.
Согласно частному варианту выполнения, преобразователь содержит резерв энергии, содержащий третью вторичную обмотку развязывающего трансформатора, которая имеет одинаковое направление с первичной обмоткой и которая соединена с одной стороны с катушкой фильтрации и конденсатором накопления энергии, а с другой стороны - с выходной линией через переключатель разрядки, управляемый схемой управления разрядкой в зависимости от уровня зарядки конденсатора накопления энергии.
Таким образом, резерв энергии интегрируют в схему преобразователя, не увеличивая при этом существенно его вес и габариты и лишь незначительно снижая его КПД.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительного частного варианта выполнения изобретения.
Краткое описание чертежей
Описание представлено со ссылками на единственную прилагаемую фигуру, на которой схематично показана схема преобразователя в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Показанный на фигуре преобразователь предназначен для соединения на входе с сетью электрического питания переменного тока и на выходе, по меньшей мере, с одним электронным прибором, работающим от постоянного тока.
На входе преобразователь содержит известную схему 1 фильтрации, соединенную с выпрямляющей схемой 2. Выпрямляющая схема 2 тоже сама по себе известна и в данном случае образует диодный мост, содержащий входные контакты, соединенные со схемой 1 фильтрации, первый выходной контакт, соединенный с шунтом 3 измерения тока, и второй выходной контакт, соединенный, с одной стороны, с разделительным мостом 4 и, с другой стороны, с первичной обмоткой 5 развязывающего трансформатора 6, последовательно соединенной с ограничительным переключателем Т1. Ограничительный переключатель T1 является силовым транзистором, таким как полевой транзистор со структурой металл-оксид или МОП-транзистор или биполярный транзистор с изолированным затвором или IGBT. Ограничительный переключатель Т1 соединен со схемой управления или, точнее, с ограничительной схемой 10 управления, которая будет описана ниже.
Развязывающий трансформатор 6 содержит первую вторичную обмотку 7, которая имеет одинаковое направление с первичной обмоткой 5 и которая последовательно соединена с выходной линией 8 преобразователя через диод D3 и катушку L1 фильтрации (часто называемую катушкой индуктивности). Как известно, диод D6 свободного хода соединяет массу с катушкой L1 фильтрации, чтобы обеспечивать непрерывность тока, когда диод D3 не проводит (восстановление энергии катушкой L1 фильтрации).
Развязывающий трансформатор 6 содержит вторую вторичную обмотку 9, которая имеет направление, противоположное первичной обмотке 5, и которая соединена через диод D2 непосредственно с выходной линией 8, то есть на выходе катушки L1.
Развязывающий трансформатор 6 содержит третью вторичную обмотку 11, которая имеет одинаковое направление с первичной обмоткой 5 и которая соединена через диод D4:
- с выходной линией 8,
res
- с катушкой L2 фильтрации, связанной с катушкой L1 фильтрации и последовательно соединенной с конденсатором C накопления энергии,
res
- с переключателем T2 разрядки, управляемым схемой 12 управления разрядкой в зависимости от уровня зарядки конденсатора C накопления энергии.
res
Конденсатор C накопления энергии является суперконденсатором очень большой емкости, порядка нескольких сот фарад. Емкость и число конденсаторов накопления энергии определяют в зависимости от количества энергии, которое необходимо иметь в случае отключения питания.
Переключатель T2 разрядки является переключателем такого же типа, что и ограничительный переключатель T1.
out
С выходной линией соединены также выходной конденсатор C и разделительный мост 13.
Ограничительная схема 10 управления является схемой управления на основе широтно-импульсной модуляции, выполненной с возможностью управления ограничительным переключателем T1 в зависимости от сравнения напряжения, характеризующего потребляемый ток на входе преобразователя, с сигналом в виде выпрямленной синусоиды с двойным полупериодом, имеющим амплитуду, зависящую от напряжения рассогласования между выходным напряжением преобразователя и опорным напряжением Vréf1.
Ограничительная схема 10 управления содержит компаратор 14, содержащий вход, соединенный с разделительным мостом 13, соединенным с выходной линией 8, и вход, соединенный с источником опорного напряжения Vref1. Компаратор 14 содержит выход, соединенный через развязывающий элемент 15 (в данном случае оптоэлектронный ответвитель) с первым входом блока 16 перемножения, содержащего второй вход, соединенный с разделительным мостом 4. Блок 16 перемножения содержит выход, соединенный с первым входом гистерезисного компаратора 17, содержащего второй вход, соединенный с шунтом 3 измерения через двухсторонний переключатель 18 для получения напряжения, характеризующего потребляемый ток, и выход, соединенный через замедлитель 19 с входом управления (затвором) ограничительного переключателя T1.
Схема 12 управления разрядкой содержит:
- вход, соединенный через двухсторонний переключатель 20 с выходом компаратора 21, содержащего первый вход, соединенный с разделительным мостом 4 для получения напряжения, характеризующего выходное напряжение выпрямляющей схемы 2, и второй вход, соединенный с источником опорного напряжения Vréf2 для подачи в схему 12 управления разрядкой напряжения рассогласования между напряжением, присутствующим на выходе выпрямляющей схемы 2, и опорным напряжением Vréf2 (с целью обнаружения отключения сети питания),
res
- вход, соединенный с катушкой L2 фильтрации и с конденсатором C накопления энергии (для измерения резервного напряжения),
- вход, соединенный с разделительным мостом 13 (для измерения выходного напряжения),
- вход, соединенный через элемент 22 инверсии и развязки (двухсторонний переключатель в блоке с оптоэлектронным ответвителем) с выходом замедлителя 19 (для блокировки управления переключателем T2 разрядки, когда ограничительный переключатель T1 находится в состоянии пропускания),
- выход, соединенный с входом управления (затвором) переключателя T2 разрядки.
В описанном примере развязывающий трансформатор 6 имеет коэффициент трансформации 1,5.
Принцип работы преобразователя состоит в управлении на основе широтно-импульсной модуляции ограничительного переключателя T1 таким образом, чтобы потребляемый ток соответствовал форме волны, идентичной форме напряжения, то есть форме выпрямленной синусоиды с двойным полупериодом.
Для этого блок 16 перемножения умножает сигнал, поступающий от разделительного моста 4 и характеризующий напряжение на выходе выпрямляющей схемы 2 (выпрямленная синусоида с двойным полупериодом), на сигнал, характеризующий напряжение рассогласования, получаемое в результате сравнения компаратором 14 напряжения на выходе разделительного моста 13 и опорного напряжения Vréf1. Произведение этих сигналов является сигналом в виде выпрямленной синусоиды с двойным полупериодом, амплитуда которого зависит от рассогласования на выходном напряжении.
Этот сигнал с гистерезисом сравнивают при помощи гистерезисного компаратора 17 с напряжением, характеризующим потребляемый ток, измеряемым на уровне шунта 3 измерения. После временной задержки сигнал, выходящий из гистерезисного компаратора 17, поступает на затвор ограничительного переключателя T1.
Таким образом, когда ток является более слабым, чем напряжение рассогласования, ограничительный переключатель T1 пропускает, тогда как, если ток является более сильным, чем напряжение рассогласования, ограничительный переключатель T1 блокируется.
При размыкании ограничительного переключателя T1, когда напряжение является слабым (выходное напряжение меньше порогового значения, равного произведению входного напряжения на коэффициент трансформации, то есть 1,5), энергия, накопленная в магнитном сердечнике развязывающего трансформатора 6, возбуждает вторую вторичную обмотку 9 и передается в выходную линию 8 через диод D2. В этом случае работа преобразователя аналогична работе преобразователя типа FLYBACK, обеспечивая потребление энергии, используемой выходом, во время фаз низкой амплитуды выпрямленного синусоидального напряжения.
Когда выходное напряжение повышается и достигает порогового значения, равного произведению входного напряжения на коэффициент трансформации, диод D3 проводит, и энергия магнитного сердечника передается в выходную линию через первую обмотку 7, диод D3 и катушку L1 фильтрации. В этом случае работа преобразователя аналогична работе преобразователя типа FORWARD. При этом преобразователь имеет также вспомогательный режим работы типа FLYBACK, который способствует полной разрядке магнитного сердечника развязывающего трансформатора.
Таким образом, получают самовозбуждающуюся систему, автоматически регулируемую по амплитуде напряжения рассогласования, которое имеет форму выпрямленной синусоиды с двойным полупериодом, и позволяющую получать точное выходное напряжение и синусоидальный потребляемый ток.
rés
Конденсатор C накопления энергии заряжается (когда преобразователь работает в режиме типа FORWARD) через третью вторичную обмотку 11 и диод D4. Связанные катушки L1 и L2 фильтрации обеспечивают ограничение пиков тока зарядки и приблизительное регулирование напряжения зарядки.
rés
rés
Отключение напряжения питания обнаруживает схема 12 управления разрядкой, которая управляет переключателем T2 разрядки на основе широтно-импульсной модуляции. В этом случае блок катушки L2 фильтрации и конденсатора C накопления энергии работает на повышение напряжения с итоговым значением, автоматически регулируемым по заданному нормальному рабочему значению использования. Схема 12 управления разрядкой выполнена с возможностью регулирования коэффициента заполнения импульсов своего командного сигнала в соответствии с уровнем зарядки конденсатора C накопления энергии.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным вариантом выполнения и охватывает любой вариант, не выходящий за рамки изобретения, определенные формулой изобретения.
В частности, наличие резерва энергии является необязательным.