Активный фильтр для источника постоянного тока

Полезная модель относится области электротехники и может использоваться для сглаживания пульсаций тока в источниках питания постоянного тока, содержащих импульсные преобразователи и/или выпрямители с выходным фильтром с дросселем, которые широко применяются для питания различных устройств во многих областях техники. При использовании такого источника постоянного тока в устройствах имитации солнечной батареи при наземных испытаниях систем электроснабжения космических аппаратов важной задачей является получение выходного тока источника с минимальным уровнем пульсаций.
Из предшествующего уровня известны активные фильтры, использующие операционные усилители с резистивной и емкостной обратной связью, которые компенсируют только низкочастотные сетевые гармоники и не предназначены для устранения высокочастотных гармоник, образуемых при работе ключей импульсных преобразователей.
Наиболее близким к данному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является «Устройство для активной фильтрации» по патенту США №8742734 (Фиг. 2 описания к патенту). В описании предлагается активный фильтр для источника питания с импульсным преобразователем, содержащим входной дроссель L, ключ Т, управляемый модулятором. Изобретение основано на идее управления активным фильтром с помощью сигнала получаемого от преобразователя нагрузки, и последующей генерации токов компенсации.
F1
F2
0
1
F1
F2
0
1
0
1
1
2
F1
F2
Указанный активный фильтр включает в себя силовую часть 10, генерирующую на своем выходе ток, компенсирующий, по крайней мере, гармоники, вызванные модуляцией ключа Т. Силовая часть 10 активного фильтра содержит ключи T и T, которые управляются сигналом управления, синхронным с сигналом модулятора, управляющего ключом Т, дроссель L', конденсаторы С и C, соединенные последовательно с выходом преобразователя. Ключи T и T управляются в противофазе. Напряжения U и U на клеммах конденсаторов С и C регулируются преобразователями AL и AL, соответственно. В данном техническом решении фильтр является устройством, поглощающим пульсации выходного тока преобразователя с помощью пульсаций, противоположных пульсациям преобразователя. Временные диаграммы работы преобразователя с фильтром показаны на Фиг. 3 описания к патенту, где u - сигнал управления ключом Т преобразователя, и этот же сигнал используется для управления ключами T и T активного фильтра.
Недостатки данного изобретения заключаются в сложности реализации схемы. Приведенная схема по своей сложности превосходит схему самого преобразователя. Необходимо поддерживать напряжения Uo, U1 в привязке к напряжениям Ve, Vs (где Ve и Vs - входное и выходное напряжения преобразователя, соответственно) из соотношений:
Кроме того, необходима синхронизация сигналов активного фильтра и преобразователя.
Задача полезной модели - упрощение схемы активного фильтра с обеспечением минимального уровня пульсаций тока дросселя в выходном фильтре источника постоянного тока.
Поставленная задача решается тем, что активный фильтр для источника постоянного тока, имеющего выходной фильтр с дросселем, также как и прототип, содержит транзисторную силовую часть, генерирующую на своем выходе ток для компенсации пульсаций тока дросселя, и управляющую часть. В отличие от прототипа, силовая часть фильтра, соединенная с выходом дросселя, содержит силовой транзистор, работающий в активном режиме, и два сопротивления в цепи указанного транзистора, соединенные со стоком и истоком транзистора MOSFET (или с коллектором и эмиттером биполярного транзистора), а управляющая часть содержит операционный усилитель, включенный по схеме сумматора, один вход которого соединен с датчиком выходного тока дросселя, на другой вход указанного операционного усилителя подается сигнал смещения, а выход операционного усилителя соединен с управляющим электродом указанного силового транзистора.
В качестве датчика выходного тока дросселя используется трансформатор тока.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков: на Фиг. 1 представлена структурная схема преобразователя с предложенным активным фильтром, на Фиг. 2 показано выполнение управляющей части схемы, на Фиг. 3 представлены диаграммы соотношения токов преобразователя и активного фильтра.
OC
CM
На фиг. 1 представлен пример понижающего импульсного преобразователя с предложенным активным фильтром, где 1 - преобразователь, 2 - предлагаемый активный фильтр, 3 - нагрузка. Структурная схема понижающего преобразователя выполнена на основе ключевого транзисторного элемента 4, и включает в себя дроссель 5 и диод 6. Активный фильтр состоит из силовой и управляющей частей. Силовая часть подключается к выходу дросселя 5 перед нагрузкой. Силовая часть активного фильтра включает в себя силовой транзистор 7, работающий в активном режиме, в качестве которого может использоваться полевой или биполярный транзистор, и два сопротивления 8 и 9. Сопротивления 8 и 9 включаются в сток и исток полевого транзистора, соответственно (либо в коллектор и эмиттер биполярного транзистора, соответственно). Управляющая часть активного фильтра 2 выполнена на основе операционного усилителя 10 и датчика тока обратной связи 11. В качестве датчика тока наилучшим образом подходит трансформатор тока, вносящий минимальную задержку по времени в работу схемы с учетом высокой частоты пульсаций. Операционный усилитель 10 включается по схеме сумматора, где на положительный вход подается сигнал обратной связи (I) с датчика тока 11 и сигнал смещения (U) для работы транзистора в активном режиме.
1
1
1
Частота пульсаций тока I на выходе преобразователя зависит от частоты коммутации ключа 4 преобразователя и может составлять десятки и сотни килогерц. Для гашения пульсаций такой частоты необходимо, чтобы транзистор 7 силовой части активного фильтра работал в активном режиме. При этом рабочая точка должна быть смещена на величину половины амплитуды пульсаций. Это уменьшит время перехода рабочей точки вольт амперной характеристики (ВАХ) транзистора в заданную точку, а также позволит скомпенсировать нарастания и спады тока. Сопротивление 8 в цепи транзистора 7 предназначено для ограничения максимального тока и потерь на нем, и подбирается исходя из возможного максимального тока используемого транзистора. При работе транзистора 7 в активном режиме происходит его разогрев, что приводит к смещению его начальной рабочей точки. Сопротивление 9, ослабляющее коэффициент усиления, служит для термокомпенсации транзистора, не давая тому уйти с заданной рабочей точки. Необходимо, чтобы ток, компенсирующий пульсации и протекающий в цепи активного фильтра, вычитался из тока I и, по сути, был этим током пульсаций. Т.е. пульсирующая составляющая тока I должна протекать из выходной ветви преобразователя 1 в ветвь активного фильтра 2.
На фиг. 2 показано выполнение управляющей части активного фильтра 2. Резистор 12 является нагрузочным резистором трансформатор тока 11. С помощью резисторов 13 и 14 задаются соотношения величин токов смещения и пульсаций, соответственно. Резисторами 15 и 16 задается коэффициент усиления схемы. Резистор 17 задает ток базы биполярного транзистора (или затвора в случае использования полевого транзистора). Опытным путем установлено, что наилучшие результаты работы фильтра получаются при коэффициенте усиления равным 3.
На фиг. 3 показано соотношение токов ветвей преобразователя и активного фильтра.
На верхней эпюре изображен ток I1, состоящий из:
2
заданного тока, равного величине I;
- тока смещения Iсм, равного по величине току, протекающему в цепи активного фильтра;
- тока пульсаций Iп, обусловленного работой ключа 4 с несущей частотой преобразователя, и имеющего действующее значение равное величине - Iп_ср.
1
На нижней эпюре показан ток Iф с отрицательным знаком, т.к. данная величина тока вычитается из тока I и состоит из:
- тока смещения Iсм, обусловленного необходимостью работы транзистора в активном режиме, данная величина может варьироваться в зависимости от выбранного транзистора (биполярного или MOSFET) и его характеристик;
тока пульсаций I'п, максимально возможно повторяющего ток Iп и его действующего значения I'п_ср.
Согласно приведенному выше, в значение уставки тока преобразователя должна быть внесена поправка на увеличение тока с учетом вычитаемого значения тока Iф, пропорциональная значению (Iсм+Iп_cp).
При использовании предлагаемого активного фильтра можно уменьшить величину индуктивности дросселя выходного фильтра источника постоянного тока, а также снизить частоту преобразования в импульсных преобразователях.