ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С БЕЗЫНЕРЦИОННЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ТОКА

Полезная модель относится к преобразователям напряжения постоянного тока. В частности, к устройствам для преобразования входного постоянного напряжения в заданное постоянное напряжение под управлением синхронной коммутации, обеспечивающей непрерывный ток с низкими пульсациями преобразования.
Такие преобразователи обычно состоят из коммутирующего транзисторного ключа, диода, фильтра на индукторе и конденсаторе в различных конфигурациях для преобразования входного напряжения постоянного тока.
вых
В качестве ключа обычно применяют транзистор, который периодически переходит из закрытого состояния в открытое и наоборот, то подсоединяя, то отсоединяя источник питания на фильтр с нагрузкой, и тем самым регулируя среднюю мощность, забираемую нагрузкой от источника. Величина выходного напряжения U зависит от соотношения длительности открытого и закрытого состояний ключа. Выходной фильтр, обычно включающий индуктор и конденсатор, соединенный между источником входного напряжения и нагрузкой, фильтрует напряжение, получаемое с ключевого транзистора. Коммутация ключевого транзистора обычно управляется импульсным модулятором, например ШИМ. Схема обратной связи генерирует управляющий сигнал для рабочего цикла ШИМ, устанавливая, таким образом, выходное напряжение на заданном уровне.
Во многих применениях преобразователей постоянного тока, в частности, таких как системы электроснабжения космических аппаратов, встречаются рабочие ситуации, такие как внезапные броски тока, перегрузки схемы и короткие замыкания, которые могут вызвать повреждения схемы или ее элементов. В этой связи, такие преобразователи должны иметь схемы безынерционного ограничения тока для защиты от перегрузок и коротких замыканий.
Известны ключевые параметрические стабилизаторы постоянного напряжения, обеспечивающие стабилизацию выходного напряжения при статическом и динамическом изменении в широких пределах величины входного напряжения, например: SU 587462, SU 1436106, SU 1163315, US 4173040.
Недостатком таких стабилизаторов является низкая точность стабилизации выходного напряжения при изменениях нагрузки, а также отсутствие защиты от коротких замыканий на выходе и обрыва нагрузки.
Известны преобразователи постоянного тока, обладающие способностью самозащиты от короткого замыкания или холостого хода (US 6232752, US 7180758, US 7443145). Преобразователи, построенные по такой схеме, включают источник напряжения постоянного тока, транзисторный ключ резистор, диод и дроссель, генератор управляющих импульсов, нагрузку и линейный регулятор. В таких схемах линейный регулятор, обычно - ИС или простая схема смещения, используемая для регулирования напряжения, обеспечиваемого источником постоянного тока, до соответствующего уровня, так, чтобы обеспечить рабочее напряжение для генератора управляющих сигналов. Однако линейный регулятор обычно имеет низкий КПД, около 5-10%, что приводит к большим потерям мощности. Поэтому, линейный регулятор имеет большие потери мощности, и может быть поврежден из-за перегрева.
Кроме того, существует необходимость контроля не только выходного напряжения, но и тока регулирующего элемента. Поэтому предпочтительно иметь структуру преобразователя с подчиненным контуром регулирования, содержащую подчиненный контур регулирования тока и основной контур регулирования напряжения.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по достигаемым функциям является преобразователь постоянного напряжения, имеющий вольтодобавочный блок и схему защиты от короткого замыкания и обрывов нагрузки, по патенту US №7511462.
Преобразователь включает источник постоянного тока, управляющую схему, и вспомогательный контур, и соединен с нагрузкой. Управляющая схема включает транзисторный ключ, первый резистор, диод, дроссель, второй резистор, и генератор управляющего сигнала. Транзисторный ключ используется для подключения или отключения электрического соединения в соответствии с управляющим сигналом Sc, принимаемым на втором выводе транзисторного ключа. Второй резистор имеет высокое сопротивление, и используется для обеспечения достаточного напряжения к генератору управляющего сигнала. Дроссель соединен с нагрузкой, и используется для сохранения и освобождения энергии, обеспечиваемой источником постоянного тока. Генератор управляющего сигнала, предпочтительно - ШИМ, и соединен с обоими концами первого резистора. Таким образом, генератор управляющего сигнала может воспринимать напряжение первого резистора, и генерирует управляющий сигнал Sc. Этот управляющий сигнал Sc регулируется на основе изменений напряжения первого резистора, управляя ключом. Дроссель управляющей схемы соединен параллельно с вспомогательным контуром. Вспомогательный контур включает вспомогательный конденсатор и вспомогательный диод. Во время работы преобразователя, вспомогательный конденсатор заряжается от источника постоянного тока через второй резистор. Будучи полностью заряженным, вспомогательный конденсатор становится вспомогательным источником энергии и может обеспечивать устойчивое вспомогательное напряжение Vcc для управления генератором управляющего сигнала. Вспомогательный диод соединен между вспомогательным конденсатором и дросселем, и используется для предотвращения протекания тока от источника во вспомогательную схему во время проводящего периода ключа. Этот ток может вызвать неожиданное изменение напряжения на нагрузке. Физические характеристики вспомогательного диода точно такие же, как характеристики диода основной схемы, имеющего такое же прямое смещение. Согласно данному изобретению схема преобразователя постоянного напряжения «запараллеливает» вспомогательный контур с дросселем так, что вспомогательный контур может обеспечивать устойчивое вспомогательное напряжение для генератора управляющих сигналов во время переключения ключа, устанавливая нормальную работу преобразователя.
Недостатком указанного преобразователя является отсутствие контроля, регулирования и стабилизации тока дросселя для получения необходимой вольтамперной характеристики.
Задачей полезной модели является создание преобразователя постоянного напряжения, обладающего защитой от коротких замыканий и обрывов нагрузки, обеспечивающего стабилизацию напряжения и тока, таким образом, чтобы получать прямоугольную вольтамперную характеристику, с ограниченным емкостным фильтром.
Поставленная задача решается тем, что преобразователь постоянного напряжения в соответствии с заявляемой полезной моделью, также как и прототип, содержит источник постоянного напряжения, основной транзисторный ключ, возвратный диод, дроссель, помехоподавляющую RC-цепь и устройство управления основным ключом с применением ШИМ-преобразователя, а также вспомогательный контур. В отличие от прототипа, в преобразователь введен вольтодобавочный блок, включенный последовательно с основным транзисторным ключом, датчик тока, соединенный между дросселем и выходной клеммой, сигнал с которого поступает на устройство управления основным транзисторным ключом, а вспомогательный контур содержит вспомогательный транзисторный ключ, соединенный с положительной клеммой источника питания постоянного тока и с последовательно включенным диодом, дополнительный датчик тока, соединенный с положительной клеммой источника постоянного напряжения и с диодом отсечки, катод которого соединен с выходной клеммой преобразователя, и блок управления вспомогательным ключом, вход которого связан с дополнительным датчиком тока.
За счет введения датчика тока в основном контуре, вольтодобавочного блока и вспомогательного контура, в преобразователе реализуется параметрическое перераспределение выходного тока и тока диода отсечки при их заданной стабильной сумме на участке стабилизации тока вольт-амперной характеристики, а также ограничение выходного напряжения преобразователя заданным стабильным уровнем через отсекающий диод на участке стабилизации напряжения вольтамперной характеристики.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором показана функциональная схема заявляемого преобразователя постоянного напряжения в соответствии с изобретением.
2
9
2
9
Импульсный преобразователь напряжения с безынерционным ограничением тока состоит из источника постоянного напряжения 1, транзисторного ключа 2 основного контура, дросселя 3, и конденсатора 4, включенного в параллель с источником постоянного напряжения 1 и нагрузкой 5. В цепи дросселя 3 включен датчик тока 6, сигнал с которого поступает на устройство управления 7 транзисторным ключом 2 основного контура. Вольтодобавочный блок 8 соединен одной клеммой с источником постоянного напряжения, а другой - с транзисторным ключом 2 основного контура. Вспомогательный контур образован вспомогательным транзисторным ключом 9, соединенным последовательно с диодом 10, дополнительным датчиком тока 11, сигнал с которого поступает на устройство управления 12 вспомогательным транзисторным ключом, и диодом отсечки 13. Встречно включенный диод 14 создает контур для протекания тока нагрузки при разомкнутом транзисторном ключе 2. В качестве схемы управления 7 ключом 2 используется обычная схема с ШИМ-регулятором, известная в данной области техники. В качестве устройства управления вспомогательным ключом 9 может быть также использован ШИМ-регулятор, аналогичный регулятору, управляющему ключом 2, но с другим током уставки, с соблюдением условия: Iуст.<Iуст. на (1-4)%, где Iуст. - ток уставки транзисторного ключа 2 основного контура, Iуст. - ток уставки транзисторного ключа 9 вспомогательного контура.
Устройство работает следующим образом:
нагр.
нагр.
нагр.
2
9
При подаче напряжения питания от источника 1 начинает работать широтно-импульсный модулятор, включенный в состав устройства управления 7, обеспечивая периодическое открывание транзисторного ключа 2, который стабилизирует на заданном уровне ток дросселя 3, причем ток последнего разделяется на 2 составляющие - одна составляющая течет через нагрузку, а вторая (представляющая собой разницу между стабильным током дросселя и током нагрузки) течет через отсекающий диод 13, блок вольтодобавки 8 и транзисторный ключ 2 на интервалах замкнутого состояния ключа 2, или через осекающий диод 13, вспомогательный ключ 9 и диод 10 на интервалах разомкнутого состояния транзисторного ключа 2. Нагрузочная составляющая тока дросселя 3 при замкнутом ключе 2 протекает в контуре: дроссель 3 - датчик тока 6 - нагрузка 5 - источник питания 1 - вольтодобавочный блок 8 - транзисторный ключ 2 - дроссель 3; при разомкнутом ключе 2 нагрузочная составляющая тока дросселя 3 протекает в контуре: дроссель 3 - датчик тока 6 - нагрузка 5 - источник питания 1-транзисторный ключ 9 - диод 10 - дроссель 3, причем транзисторный ключ 9 вспомогательного контура замкнут при I≤I дросселя 3. При увеличении нагрузки и при условии U≤U, отсекающий диод 13 запирается (обратным смещением, равным разности U-U), ключ 2 разомкнут, так как Iуст.<Iуст. и ток дросселя 3 стабилизируется с помощью ШИМ устройства управления 12, при этом на интервалах замкнутого состояния ключа 9 ток дросселя течет в контуре: дроссель 3 - нагрузка 5 источник питания 1 - ключ 9 диод 10 дроссель 3, а на интервалах замкнутого состояния ключа 9 ток дросселя протекает в контуре: дроссель 3 - нагрузка 5 - обратный диод 14 -дроссель 3. Конденсатор 4 обеспечивает протекание переменной составляющей тока дросселя 3.
нагр.
др.3
нагр.
д13
нагр.
др.3
нагр.
др.3
нагр.
Таким образом, при токе нагрузки меньшем тока дросселя 3 (I<I) открыт отсекающий диод 13, и напряжение на нагрузке равно напряжению U источника питания 1 за вычетом падения напряжения на отсекающем диоде 13 (U=U-U); при токе нагрузки I=I отсекающий диод 13 заперт, преобразователь работает на вертикальном участке ВАХ, напряжение нагрузки U=I·R На холостом ходе (обрыв нагрузки) ток дросселя стабилизируется на заданном уровне, благодаря вольтодобавочному блоку 8.
Соответственно, схема преобразователя по заявляемой полезной модели не только обеспечивает защиту схемы от короткого замыкания и обрывов нагрузки, но также позволяет стабилизировать напряжение и ток, обеспечивая получение прямоугольной вольтамперной характеристики.