ОДНОТАКТНЫЙ СДВОЕННЫЙ ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С УЛУЧШЕННЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
SINGLE-STEP DOUBLE FLYBACK CONVERTER WITH IMPROVED DYNAMIC PROPERTIES

Настоящее изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления быстродействующими сетевыми бестрансформаторными источниками питания с улучшенными динамическими свойствами.
Из существующего уровня техники известен однотактный сдвоенный обратноходовой преобразователь с традиционным законом управления [1, с.79-83]. Наиболее близким к заявленному техническому решению является ультразвуковой генератор [2].
Одним из основных недостатков всех импульсных преобразователей является возникновение перерегулирования выходного напряжения при быстром выходе на режим, а также выбросы и провалы выходного напряжения при скачкообразных изменениях параметров нагрузки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение динамических свойств импульсного источника питания на основе однотактного сдвоенного обратноходового преобразователя.
Данная задача решается за счет того, что используется двухконтурная система управления ключевыми элементами, обеспечивающая независимую релейную стабилизацию магнитного состояния сердечника индуктивного элемента и напряжения на нагрузке.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является отсутствие перерегулирования выходного напряжения при быстром выходе на режим, а также выбросов и провалов выходного напряжения при скачкообразных изменениях параметров нагрузки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 - однотактный сдвоенный обратноходовой преобразователь с двумя контурами управления;
На фиг.2 - однотактный сдвоенный обратноходовой преобразователь с двумя контурами управления и тактированием.
Структурная схема однотактного сдвоенного обратноходового преобразователя, в которой использована двухконтурная система управления ключевыми элементами, обеспечивающая независимую релейную стабилизацию магнитного состояния сердечника индуктивного элемента и напряжения на нагрузке, приведена на фиг.1. На схеме обозначены:
1, 2 - ключевые элементы,
3, 4 - коммутирующие диоды,
5 - источник напряжения питания (в сетевых преобразователях используется выпрямленное и отфильтрованное напряжения сети),
6 - индуктивный элемент (в преобразователях с непосредственной связью используется реактор, в преобразователях с гальванической развязкой - трансформатор),
7 - обратноходовой выпрямитель с емкостным фильтром (однотактный сдвоенный преобразователь может работать и как прямоходовой, если в нем используется прямоходовой выпрямитель с LC фильтром),
8 - нагрузка, 9 - уставка напряжения,
10 - релейный модулятор контура стабилизации напряжения,
11 - релейный стабилизатор напряжения на нагрузке,
12 - логический элемент ИЛИ,
i
i
i
i
13 - датчик магнитного состояния (Под магнитным состоянием сердечника магнитного элемента в обратноходовом преобразователе с гальванической развязкой понимается сумма магнитодвижущих сил всех обмоток ∑w·i многообмоточного трансформатора, где w и i - число витков и мгновенное значение тока в i-й обмотке. У магнитного реактора в обратноходовом преобразователе с непосредственной связью всего одна обмотка, поэтому может использоваться обычный датчик тока.),
14 - уставка магнитного состояния,
15 - релейный модулятор контура стабилизации магнитного состояния,
16 - релейный стабилизатор магнитного состояния.
Традиционно, в таком преобразователе используется один контур управления, а ключевые элементы открываются и закрываются одновременно. В режиме обратноходового преобразования энергия накапливается в сердечнике индуктивного элемента во время открытого состояния ключевых элементов и передается в нагрузку, когда они запираются. Как и во всех импульсных преобразователях, здесь имеет место перерегулирование выходного напряжения при быстром выходе на режим, а также выбросы и провалы выходного напряжения при скачкообразных изменениях параметров нагрузки.
В приведенной на фиг.1 схеме с двумя контурами управления верхний и нижний пороговые уровни релейных стабилизаторов (16, 11) определяются опорными уровнями уставки (14, 9) и шириной гистерезиса релейных модуляторов (15, 10) в соответствующих каналах.
Контур стабилизации магнитного состояния, управляющий двумя ключевыми элементами 1 и 2, имеет приоритет по отношению к контуру стабилизации выходного напряжения, управляющим только одним ключевым элементом 1. Поэтому, при включении преобразователя из нулевых начальных условий, в начале осуществляется выход на режим по магнитному состоянию - накопление энергии в индуктивном элементе, соответствующее максимальной выходной мощности. И только после этого начинается выход на режим по напряжению на нагрузке.
Происходит это следующим образом:
До тех пор пока сигнал с датчика магнитного состояния 13 не достиг верхнего порога релейного стабилизатора магнитного состояния 16, на управляющий вход ключевого элемента 2 и через элемент ИЛИ 12 на управляющий вход ключевого элемента 1 поступает отпирающий сигнал - логическая единица.
Единица на входе логического элемента ИЛИ блокирует прохождение управляющего сигнала от контура стабилизации напряжения на управляющий вход ключевого элемента 1.
Открыты оба ключевых элемента. Происходит накопление энергии в магнитном поле сердечника индуктивного элемента.
Логическая единица снимается с выхода релейного стабилизатора 16 при достижении сигнала датчика магнитного состояния верхнего порогового уровня. Ключевой элемент 2 запирается. А ключевой элемент 1 начинает управляться от релейного стабилизатора напряжения 11.
До тех пор пока напряжение на нагрузке остается меньше верхнего порогового уровня стабилизатора 11, его выходной сигнал соответствует логическому нулю - ключевой элемент 1 заперт. Энергия, запасенная в сердечнике магнитного элемента, поступает в нагрузку. Конденсатор фильтра заряжается.
В процессе передачи энергии в нагрузку запас энергии в сердечнике магнитного элемента уменьшается, и уменьшается сигнал с датчика магнитного состояния. Как только этот сигнал опустится ниже нижнего порогового уровня релейного стабилизатора 16, на его выходе появится логическая единица. Откроются оба ключевых элемента 1 и 2. Произойдет подкачка энергии в сердечник магнитного элемента. Затем продолжится передача энергии в нагрузку. Далее аналогично.
Таким образом, выход на режим по магнитному состоянию носит монотонный характер, по выходному напряжению - ступенчатый.
Достижение напряжением на нагрузке верхнего порога релейного стабилизатора 11, приводит к появлению на его выходе логической единицы, вызывающей открывание ключевого элемента 1. Прекращается вывод энергии из магнитного элемента в нагрузку, исключая перерегулирование на нагрузке. Ток обмотки магнитного элемента протекает при этом через диод 4 и ключевой элемент 1. Аналогичным образом устраняются выбросы напряжения при скачкообразном уменьшении тока нагрузки.
Логическая единица на выходе релейного стабилизатора 11 и открытое состояние ключевого элемента 1 не мешают работе контура стабилизации магнитного состояния.
В установившемся режиме контур стабилизации напряжения отслеживает с заданной точностью напряжение на нагрузке, а контур стабилизации магнитного состояния отслеживает с заданной точностью запас энергии в сердечнике магнитного элемента. Запасенная энергия и магнитное состояние сердечника связаны квадратичной зависимостью.
Запас энергии в сердечнике магнитного элемента позволяет исключить провалы напряжения при скачкообразном увеличении тока нагрузки, если при этом не происходит превышения максимально допустимой мощности. Превышение максимально допустимой мощности неизбежно приведет к провалам напряжения, однако, такой режим является аварийным, хотя и безопасным для данного преобразователя.
Один из недостатков двухконтурной релейной системы управления состоит в весьма широком диапазоне изменения частоты коммутации ключевых элементов при изменении параметров нагрузки. Устранить данный недостаток можно введением тактирования релейных стабилизаторов фиг.2.
Тактируемые D-триггера 17 и 18 - триггера-повторители. Они осуществляют задержку сигналов с релейных элементов 15 и 10 не более, чем на период частоты тактового генератора 19, подключенного к тактирующим входам триггеров. При наличии тактирования, частота коммутации ключевых элементов не превышает частоты тактового генератора.
Виртуальный эксперимент подтвердил работоспособность предлагаемого устройства. Опытный образец был испытан на мощность 1,5…1,8 кВт.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о перспективности использования предлагаемого устройства в быстродействующих источниках питания с улучшенными динамическими свойствами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Рудык С.Д., Турчанинов В.Б. Однотактный сдвоенный преобразователь напряжения на 500-700 Вт. // Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА. М: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1983. С.79-83.
2. Рязанов Б.П., Быстрова И.Д., Харламенков В.Д., Федорченко В.В. Ультразвуковой генератор. Номер авторского свидетельства: 1121771. Дата публикации: 30 октября 1984.