СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОТАКТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ)
METHOD OF SINGLE-CYCLE VOLTAGE CONVERTER CONTROL AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к электропреобразовательной технике и может использоваться во вторичных источниках питания.
Известен способ управления однотактным преобразователем напряжения [1, 2], заключающийся в том, что для размагничивания магнитопровода выходного трансформатора преобразователя и исключения в силовом электронном ключе токов замагничивания трансформатора формируют расчетную максимальную относительную длительность закрытого состояния силового ключа, рассчитанную на худший случай, при этом в номинальных режимах работы преобразователя эта длительность избыточна.
Недостаток способа - заниженный коэффициент заполнения импульсов преобразователя, что приводит к увеличению действующего значения тока в силовых элементах преобразователя, снижению его КПД, а также нет гарантии от замагничивания сердечника трансформатора при изменении нагрузки от холостого хода до максимального значения и при переходных процессах в тракте первичный источник питания - нагрузка, поскольку в способе отсутствует обратная связь по электрическому состоянию выходного трансформатора.
Известен способ управления однотактным мостовым конвертором, содержащим два последовательно соединенных с первичной обмоткой выходного трансформатора силовых электронных ключа [3], заключающийся в том, что одним ключом управляют программно по расчетным параметрам максимальной относительной длительности закрытого состояния ключа, а другим - по сигналу электрического состояния выходного трансформатора.
Недостатки способа те же, что и в первом способе. Обратная связь по электрическому состоянию выходного трансформатора используется только для управления одним силовым ключом, а другой силовой ключ и однотактный преобразователь в целом управляются программно без учета реального состояния выходного трансформатора, что не гарантирует возможности включения одновременно обоих силовых ключей при неразмагниченном магнитопроводе выходного трансформатора.
Известно устройство управления однотактным преобразователем напряжения [2], работа которого подробно изложена в [1], содержащее генератор импульсов, управляемый силовой электронный ключ, одним выводом соединенный с общим входным выводом преобразователя, вторым - с концом первичной обмотки трансформатора, начало которой соединено с плюсовым входным выводом электропитания преобразователя, выходные выводы которого через LC-фильтр и выпрямитель подключены к выводам выходной обмотки трансформатора, состоящего из двух полуобмоток, размагничивающая обмотка трансформатора через параллельные обратно включенные диод и вспомогательный ключ соединена с конденсатором, и ждущий мультивибратор, включенный между задающим генератором и силовым электронным ключом, время выдержки которого удовлетворяет условию размагничивания сердечника трансформатора, но для гарантированной защиты силового ключа от токов замагничивания сердечник выходного трансформатора выполнен с немагнитным зазором [1].
Недостатки устройства те же, что и в реализуемом им способе - увеличенное амплитудное значение токов и установленной мощности силовых элементов тракта преобразования и передачи электроэнергии в нагрузку, низкий КПД, увеличенные из-за введения немагнитного зазора в сердечнике габариты и масса выходного трансформатора.
Известно устройство управления однотактным мостовым преобразователем напряжения (конвертером) [3], содержащее блок управления, выходом соединенный с входом управления второго силового электронного ключа, который последовательно через первичную обмотку выходного трансформатора и первый силовой электронный ключ соединен с входными выводами электропитания преобразователя, выходные выводы которого через LC-фильтр и выпрямитель подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора, размагничивание магнитопровода которого происходит по первичной обмотке выходного трансформатора при закрытых ключах через прямо включенные последовательно с обмоткой диоды на входные выводы электропитания, и трансформатор управления, выводы вторичной обмотки которого соединены с входом управления второго силового электронного ключа, а первичная обмотка трансформатора управления (обратной связи) подключена параллельно первичной обмотке выходного трансформатора.
В устройстве, несмотря на введение управления первым силовым ключом преобразователя по сигналу электрического состояния выходного трансформатора, второй ключ, являющийся ведущим для первого, по-прежнему управляется программно с фиксированным запасом времени для размагничивания магнитопровода трансформатора со всеми вытекающими отсюда указанными выше недостатками - повышенные установленные значения по току и мощности элементов тракта подачи энергии, низкий КПД, а также необходимость использования специального управляющего трансформатора.
Известно устройство управления преобразователем напряжения [4], выходной трансформатор которого работает в двухполупериодном режиме, содержащее выходные выводы генератора прямоугольных импульсов переменного напряжения, силовые электронные ключи и управляющие ключи, входными выводами соединенные с выходными выводами генератора импульсов, выходными - с управляемыми входами силовых электронных ключей, а управляемые входы управляющих ключей через разделительные диоды соединены с выводами полуобмоток первичной обмотки выходного трансформатора.
Недостаток устройства - повышенные потери мощности в силовых ключах, обусловленные тем, что ключи закрываются по сигналу начала замагничивания магнитопровода выходного трансформатора, сопровождающегося увеличением тока ключей, значение которого в момент их запирания превышает ток, определяемый нагрузкой преобразователя.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является снижение максимальных значений токов и установленной мощности силовых элементов тракта преобразования и передачи электроэнергии в нагрузку, повышение КПД и надежности однотактного прямоходового преобразователя напряжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления однотактным преобразователем напряжения, включающем формирование относительной длительности открытого и закрытого состояний силового электронного ключа преобразователя, открывание ключа производят в момент окончания процесса размагничивания магнитопровода выходного трансформатора преобразователя напряжения по сигналу, который снимают непосредственно с первичной или рекуперационной обмотки выходного трансформатора.
В устройстве для осуществления способа управления однотактным преобразователем напряжения, содержащим генератор импульсов и управляемый силовой электронный ключ, одним выводом соединенный с первым входным выводом преобразователя, вторым - с началом первичной обмотки выходного трансформатора, конец которой соединен со вторым входным выводом преобразователя, выходные выводы которого через LC-фильтр и выпрямитель подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора, размагничивающая обмотка которого концом подключена к первому входному выводу преобразователя, начало - к катоду диода, анод которого подключен ко второму входному выводу преобразователя, к точкам соединения размагничивающей обмотки с диодом и силового электронного ключа с первичной обмоткой трансформатора подключен конденсатор, введен управляющий ключ, вход которого соединен с выходными выводами генератора импульсов, выход - с управляемым входом силового электронного ключа, а управляемый вход управляющего ключа соединен с концом первичной обмотки трансформатора, подключенным ко второму входному выводу преобразователя.
Указанный технический результат достигается также по другому варианту устройства для осуществления способа управления однотактным преобразователем напряжения, содержащего генератор импульсов и управляемый электронный ключ, одним выводом соединенный со вторым входным выводом преобразователя, вторым - с концом первичной обмотки выходного трансформатора, начало которой соединено с первым входным выводом преобразователя, выходные выводы которого через LC-фильтр и выпрямитель подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора, размагничивающая обмотка которого началом подключена ко второму входному выводу преобразователя, концом - к аноду диода, катод которого подключен к первому входному выводу преобразователя, к точкам соединения размагничивающей обмотки с диодом и силового электронного ключа с первичной обмоткой трансформатора подключен конденсатор, введением управляющего ключа, вход которого соединен с выходными выводами генератора импульсов, выход - с управляемым входом силового электронного ключа, а управляемый вход управляющего ключа соединен с концом размагничивающей обмотки трансформатора, подключенным к аноду диода.
Снижение максимальных значений токов и установленной мощности силовых элементов тракта преобразования и передачи энергии в нагрузку, повышение КПД и надежности однотактного прямоходового преобразователя напряжения при управлении его предложенным способом достигается увеличением относительной длительности (коэффициента заполнения) рабочих импульсов тока преобразователя, передающих электроэнергию в нагрузку, поскольку время паузы в передаче электроэнергии, необходимое для размагничивания магнитопровода выходного трансформатора, задается не по расчетным данным с запасом, а определяется непосредственно моментом окончания размагничивания магнитопровода. Увеличение коэффициента заполнения импульсов тока позволяет уменьшить амплитуду и, следовательно, действующее значение импульсов тока тракта передачи энергии преобразователя, благодаря чему повышается его КПД, а открывание силового электронного ключа в момент окончания процесса размагничивания магнитопровода выходного трансформатора гарантирует исключение возможности появления неограниченного тока силового электронного ключа, обусловленного неразмагниченным состоянием выходного трансформатора и приводящего к отказу силового ключа.
В вариантах устройства, реализующих предложенный способ управления однотактным прямоходовым преобразователем напряжения, момент окончания размагничивания сердечника выходного трансформатора определяется по сигналу обратной связи, снимаемому непосредственно с первичной обмотки выходного трансформатора (первый вариант) либо с размагничивающей обмотки трансформатора (второй вариант) и подаваемому на вход вновь введенного управляющего ключа, запрещающего открывание силового электронного ключа, пока не размагнитится сердечник выходного трансформатора.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства для осуществления предложенного способа управления однотактным преобразователем напряжения.
1
1
2
1
2
2
3
1
2
3
1
1
1
Устройство содержит генератор импульсов 1 и управляемый силовой электронный ключ 2, одним выводом соединенный с первым 3 входным выводом преобразователя, вторым - с началом первичной обмотки 4 выходного трансформатора 4, конец которой соединен со вторым входным выводом 3 преобразователя, выходные выводы 5 и 5 которого через LC-фильтр 6 и выпрямитель 7 подключены к выводам вторичной обмотки 4 трансформатора 4, размагничивающая обмотка 4 которого концом подключена к первому входному выводу 3 преобразователя, началом - к катоду диода 8, анод которого подключен ко второму входному выводу 3 преобразователя, к точкам соединения размагничивающей обмотки 4 с диодом 8 и силового электронного ключа 2 с первичной обмоткой 4 трансформатора 4 подключен конденсатор 9, между генератором импульсов 1 и управляемым входом силового электронного ключа 2 установлен управляющий ключ 10, управляемый вход которого соединен с выводами первичной обмотки 4 трансформатора 4, причем начало первичной обмотки 4 выходного трансформатора 4 является общей точкой силового 2 и управляющего 10 ключей.
На фиг.2 показана функциональная схема другого варианта устройства для осуществления предложенного способа управления однотактным преобразователем напряжения.
2
1
1
1
2
2
3
2
1
3
1
3
3
По второму варианту устройство содержит также генератор импульсов 1 и управляемый электронный ключ 2, который одним выводом соединен со вторым входным выводом 3 преобразователя, вторым - с концом первичной обмотки 4 выходного трансформатора 4, начало которой соединено с первым входным выводом 3 преобразователя, выходные выводы 5 и 5 которого через LC-фильтр 6 и выпрямитель 7 подключены к выводам вторичной обмотки 4 трансформатора 4, размагничивающая обмотка 4 которого началом подключена ко второму входному выводу 3, концом - к аноду диода 8, катодом соединенного с первым входным выводом 3 преобразователя, к точкам соединения размагничивающей обмотки 4 с диодом 8 и силового электронного ключа 2 с первичной обмоткой 4 трансформатора 4 подключен конденсатор 9, между генератором импульсов 1 и управляемым входом силового электронного ключа 2 установлен управляющий ключ 10, управляемый вход которого соединен с выводами размагничивающей обмотки 4 трансформатора 4, причем начало размагничивающей обмотки 4 выходного трансформатора 4 является общей точкой силового 2 и управляющего 10 ключей.
Устройства для осуществления способа управления однотактным преобразователем напряжения работают следующим образом.
1
2
В исходном состоянии на вход преобразователя подано постоянное стабилизированное напряжение электропитания: "+" на входной вывод 3 и "-" на вывод 3, силовой электронный ключ находится в закрытом состоянии.
1
3
1
1
2
1
2
3
1
2
1
3
При запуске генератора импульсов 1 на входе электронного ключа 10 появляется переменное напряжение прямоугольной формы. Предположим, первый полупериод переменного напряжения с выхода генератора импульсов 1 получился положительной полярности, его прохождение на управляемый вход силового ключа 2 управляющий ключ 10 не ограничивает, поскольку на управляемом входе ключа 10 в рассматриваемый момент нет запрещающего сигнала с первичной обмотки 4 выходного трансформатора 4 (во втором варианте - с размагничивающей обмотки 4), переводящего ключ 10 в закрытое состояние, поэтому силовой ключ 2 открывается. К первичной обмотке 4 трансформатора 4 прикладывается напряжение электропитания через входные выводы 3 и 3, энергия источника электропитания выходным трансформатором через выпрямитель 7 и фильтр 6 передается на выход преобразователя 5-5 в нагрузку. При этом происходит намагничивание магнитопровода выходного трансформатора 4, на управляющем входе ключа 10 появляется напряжение, удерживающее его в открытом состоянии. При смене полярности напряжения на выходе генератора импульсов 1 силовой ключ 2 закрывается, на обмотках трансформатора 4 наводятся напряжения обратной полярности, вследствие чего ключ 10 закрывается. В цепи размагничивающей обмотки 4, диода 8 и входных выводов 3-3, подсоединенного к источнику постоянного напряжения, протекает ток, размагничивающий магнитопровод выходного трансформатора 4. В течение всего времени размагничивания магнитопровода с первичной обмотки 4 трансформатора (по второму варианту - с размагничивающей обмотки 4) на управляемый вход управляющего ключа 10 подается напряжение, удерживающее его в состоянии, запрещающем пропускание на управляемый вход силового ключа 2 открывающего напряжения с генератора импульсов 1. В момент окончания процесса размагничивания магнитопровода трансформатора 4 напряжение на его обмотках исчезает и управляющий ключ 10 переходит в состояние, пропускающее поступивший на его вход импульс напряжения с генератора 1, открывающий силовой ключ 2. Далее процесс повторяется.
Введение в способ управления однотактным преобразователем напряжения условия открытия силового ключа по моменту окончания размагничивания магнитопровода выходного трансформатора, реализуемого с помощью дискретной обратной связи по току размагничивания, использованием в тракте управления слаботочного управляющего ключа, получающего сигнал на разрешение открывания силового ключа непосредственно с первичной обмотки выходного трансформатора (по второму варианту - с размагничивающей обмотки), позволило исключить необходимость введения запаса времени на размагничивание магнитопровода выходного трансформатора, благодаря чему повысился коэффициент использования источника электропитания, уменьшилась амплитуда токов тракта передачи электроэнергии, повысился КПД преобразователя, повысилась надежность преобразователя исключением возможности открывания силового ключа при замагниченном магнитопроводе выходного трансформатора.
Литература
1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989. - 160 с. (с.64-66, с.137, рис.5.1).
2. Авторское свидетельство СССР №989552. Стабилизированный однотактный преобразователь / И.М.Антонов, А.Г.Поликарпов, Е.Ф.Сергиенко. - Опубл. 1983. Бюл. №2.
3. Патент RU №2380819. Опубл. 27.01.2010. Бюл. №3. Прямоходовой конвертор, авт.: Кастров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М.
4. Авторское свидетельство SU №1805538. Опубл. 30.03.1993. Бюл. №12. Преобразователь постоянного напряжения, авт. Катасонов Н.М.