Преобразователь напряжения
Владельцы патента RU 2525232:
Гончаров Александр Юрьевич (CZ)
Гончаров Михаил Юрьевич (RU)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве схемы обеспечения работы нескольких ИВЭ, соединенных параллельно на общую нагрузку. Технический результат заключается в обеспечении работы ИВЭ в параллельном режиме при различных источниках входного напряжения. Для этого заявленное устройство содержит: по крайней мере, один силовой ключ, на один вывод которого подано входное напряжение, другой вывод подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение, поступающее на один вход делителя напряжения и далее через устройство сравнения на сумматор, в котором складывается с сигналом первого датчика тока, включенного в цепи силового ключа, и попадает на вход узла управления, включающего в себя широтно-импульсный модулятор и компаратор тока, где вырабатывается управляющий сигнал, поступающий на третий вывод силового ключа, причем трансформаторно-выпрямительный узел содержит второй датчик тока, с выхода которого сигнал о выходном токе поступает на один вход узла параллельной работы, другой вход связан с выводом «ПАРАЛ», соединяемым при параллельной работе ИВЭ, а выход связан с другим входом делителя напряжения. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭ) в качестве схемы обеспечения работы нескольких ИВЭ, соединенных параллельно на общую нагрузку.
Уровень техники
Необходимость в параллельном соединении ИВЭ возникает обычно по одной из следующих причин:
- резервирование ИВЭ для увеличения надежности работы радиоэлектронной аппаратуры;
- увеличение общей выходной мощности ИВЭ.
При этом возможны схемы параллельного включения ИВЭ по выходу, в которых входы подключаются либо параллельно к одному источнику питания (фиг.1а), либо к разным, например, в схемах «горячего» резервирования питания (фиг.1б).
На практике ИВЭ не выдают одинаковое выходное напряжение, и при параллельном соединении большая часть нагрузки падает на ИВЭ с более высоким выходным напряжением. Если для повышения выходной мощности ИВЭ соединяются параллельно, то неравное распределение выходных токов может привести к тому, что один из ИВЭ окажется в режиме перегрузки, в то время как остальные будут не нагружены.
Для обеспечения равномерной загрузки ИВЭ могут быть использованы схемы с пассивным и активным распределением тока [1]. Пассивные схемы реализуются подключением выходов преобразователей к нагрузке через выравнивающие резисторы или распределительные диоды, которые помимо функции распределения тока выполняют еще и функцию защиты внешних элементов от КЗ в отдельном преобразователе. Однако к недостаткам данных схем можно отнести существенные потери мощности в виде тепла на выравнивающих резисторах или распределительных диодах [2]. Чтобы этого избежать, применяют активные схемы, которые выполняются введением обратных связей между током в нагрузке и током каждого преобразователя. Активные схемы выравнивания выходных токов преобразователей можно разделить на две группы: выравнивание при помощи специализированных микросхем [3] и введение узлов параллельной работы в схемотехнику преобразователя [4].
Известно устройство, полезная модель №71192 «Преобразователь напряжения», H02M 3/335 (фиг.2), выбранное в качестве прототипа, в котором решается задача параллельного включения ИВЭ с их равномерной загрузкой.
К недостаткам данного устройства относится то, что параллельная работа ИВЭ, в соответствии с описанием, обеспечивается только при их параллельном включении как по выходу, так и по входу (фиг.3a). Включение данных устройств по схеме «горячего» резервирования (фиг.3б) не предусмотрено, т.к. выравнивание выходной мощности параллельных ИВЭ, должно производится по информации не только о выходном напряжении, но и о выходном токе, что отсутствует в прототипе.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлены функциональные схемы включения ИВЭ при параллельной работе: а) по входу и выходу и б) в схемах «горячего» резервирования питания.
На фиг.2 представлен источник вторичного электропитания (прототип).
На фиг.3 представлены функциональные схемы включения ИВЭ с активным распределением тока при параллельной работе: а) по входу и выходу и б) в схемах «горячего» резервирования питания.
На фиг.4 представлена структурная схема ИВЭ в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5 представлена схема электрическая принципиальная функционального узла делителя напряжения в соответствии с предпочтительным вариантом реализации.
На фиг.6 представлена схема электрическая принципиальная функционального узла параллельной работы в соответствии с предпочтительным вариантом реализации.
На фиг.7 представлен предпочтительный вариант схемы ИВЭ.
Сущность изобретения
Цель - обеспечение работы ИВЭ в параллельном режиме при различных источниках входного напряжения, достигается за счет того, что ИВЭ (фиг.4) содержит: по крайней мере, один силовой ключ 1, на один вывод которого подано входное напряжение, другой вывод подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла 3, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение, поступающее на один вход делителя напряжения 4 и далее через устройство сравнения 5 на сумматор 7, в котором складывается с сигналом первого датчика тока 2, включенного в цепи силового ключа 1, и попадает на вход узла управления 8, включающего в себя широтно-импульсный модулятор и компаратор тока, где вырабатывается управляющий сигнал, поступающий на третий вывод силового ключа 1, причем трансформаторно-выпрямительный узел 3 содержит второй датчик тока 32, с выхода которого сигнал о выходном токе поступает на один вход узла параллельной работы 6, другой вход связан с выводом «ПАРАЛ», соединяемым при параллельной работе ИВЭ, а выход связан с другим входом делителя напряжения 4.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый преобразователь напряжения отличается отсутствием узла согласования 6 (фиг.2) и наличием новых элементов (фиг.4): датчика тока 32, включенного в цепь трансформаторно-выпрямительного узла 3, выдающего сигнал с информацией о выходном токе ИВЭ, узла параллельной работы 6, в котором происходит сравнение этого сигнала с сигналом с входа параллельной работы «ПАРАЛ», выходной сигнал которого управляет делителем напряжения 4, а также их связями с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
В каждом конкретном случае реализация узлов ИВЭ может быть различной, например датчик тока может быть реализован в виде резистивного датчика, в виде датчика Холла или в виде трансформатора тока.
В предпочтительном варианте изобретения делитель напряжения 4 (фиг.5) содержит: первый резистор 41, на один вывод которого поступает выходное напряжение ИВЭ Uвых, к другому выводу которого подключены: один вывод второго резистора 42, другой вывод которого подключен к выходу узла параллельной работы 6, один вывод третьего резистора 43, к другому выводу которого подключены: вход узла сравнения 5 и один вывод четвертого резистора 44, другой вывод которого подключен к общему выводу выходного напряжения ИВЭ.
В предпочтительном варианте изобретения узел параллельной работы 6 (фиг.6) содержит: первый транзистор 613, подключенный коллектором и базой через первый диод 612 к выходу датчика тока 32 и через конденсатор 611 к общему выводу выходного напряжения ИВЭ; второй транзистор 616, подключенный коллектором к делителю напряжения 4 и через первый конденсатор 617 к базе, которая через второй резистор 618 соединена с общим выводом выходного напряжения ИВЭ, через третий резистор 619: с выходом датчика тока 32 через второй диод 615, с общим выводом выходного напряжения ИВЭ через второй конденсатор 620 и с выводом «ПАРАЛ» через четвертый резистор 621; эмиттеры транзисторов 613, 616 подключены через первый резистор 614 к общему выводу выходного напряжения ИВЭ.
На фиг.6 приведен вариант исполнения схемы электрической принципиальной функционального узла параллельной работы для положительного выходного напряжения, в случае отрицательного выходного напряжения необходимо изменить направление включения диодов 612, 615 и транзисторы 613, 616 должны быть p-n-р типа.
ИВЭ в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения (фиг.7) работает следующим образом.
Предположим, что преобразователь ПР1 (фиг.3б) включился первым и сигнал с трансформатора тока 32 (фиг.7) трансформаторно-выпрямительной цепи 3 пришел на вход узла параллельной работы 6, которое через диод 612 и через пиковый детектор 615, 620 и делитель 618, 619 поступает на базы транзисторов дифференциального каскада 613, 616, где происходит сравнение двух напряжений: напряжения со «своего» датчика тока 32 и напряжения с входа «ПАРАЛ».
Если преобразователи ПР2…ПРN не включились, то напряжение входе «ПАРАЛ» преобразователя ПР1 равно сигналу с датчика тока 32, на базах транзисторов 613, 616 напряжение одинаково за счет делителя 618, 619 и узел ПАРАЛ не влияет на работу ИВЭ.
Напряжение с датчика тока 32 через пиковый детектор 615, 620 и через резистор 621 поступает также на входы «ПАРАЛ» всех подключенных параллельно преобразователей ПР2…ПРN (фиг.3б).
Т.к. сопротивление нагрузки сравнительно мало, то выходной ток преобразователя ПР1 становится больше максимального и ограничение выходного тока данного преобразователя происходит по датчику тока 2 при Iогр>Iмакс, как и в прототипе.
При включении следующего преобразователя, например ПР2, на его вход «ПАРАЛ» приходит сигнал с датчика тока 32 преобразователя ПР1, но воздействия не производит, т.к. выходное напряжение системы близко к нулю, и если выходные токи двух преобразователей меньше номинального тока системы параллельного включения преобразователей ПР1…ПРN, то ограничение выходного тока преобразователя ПР2 происходит также по датчику тока 2 при Iогр>Iмакс, как и в прототипе.
Включение остальных преобразователей будет происходить аналогично до тех пор, пока сумма токов ограничения включенных преобразователей не приблизится к номинальному току системы параллельного включения преобразователей ПР1…ПРN.
Предположим, что при включении преобразователя ПРN сумма токов ограничения включенных преобразователей превысила номинальный ток системы параллельного включения преобразователей, при этом выходное напряжение системы параллельного включения преобразователей повышается до номинального, сигналы с датчиков тока 32 каждого преобразователя сравниваются через резисторы 621 и резистивные делители 618, 619 дифференциальными каскадами на транзисторах 613, 616.
Предположим, что выходной ток преобразователя ПР1 больше выходного тока преобразователей ПР2…ПРN, тогда напряжение с датчика тока 32 через диод 615 и резистор 621 этого преобразователя поступает на вывод «ПАРАЛ» и через резисторы 621 каждого преобразователя ПР2…ПРN закрывает диоды 615 и через резистивные делители 618, 619 приоткрывает транзисторы 616. Напряжения с делителя напряжения 4 уменьшаются, и система автоматического регулирования каждого преобразователя ПР2…ПРN через ШИМ контроллеры узлов управления 8 поднимает свое выходное напряжение, тем самым увеличивая свой выходной ток. Выходные токи выравниваются.
Предположим, что выходной ток преобразователя ПРN меньше выходного тока преобразователей ПР1…ПРN-1, тогда напряжение, поступающее с входа «ПАРАЛ», через резистор 621 закрывает диод 615 и через резистивные делители 618, 619 приоткрывает транзистор 616 данного преобразователя. Напряжение с делителя напряжения 4 уменьшается, и система автоматического регулирования данного преобразователя через ШИМ контроллер узла управления 8 поднимает свое выходное напряжение, тем самым увеличивая свой выходной ток. Выходные токи выравниваются.
Преимуществом данного устройства является то, что предлагаемая схема преобразователя реализует принятие решения о выравнивании выходных токов за счет введения датчика тока 32 в трансформаторно-выпрямительный узел 3 (фиг.4 и 7), сравнительно простого функционального узла параллельной работы 6 и управляемого делителя напряжения 4 и позволяет осуществлять параллельную работу преобразователей как при одинаковых (фиг.3а), так и при разных (фиг.3б) входных напряжениях.
Данное устройство применимо к использованию в любых типах ИВЭ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - С.282-289: ил.
2. Application note 3, rev. A «Parallel operation of DC power modules», Wall Industries, inc.
3. Mark Jordan «UC3907 LOAD SHARE IС SIMPLIFIES PARALLEL POWER SUPPLY DESIGN», Texas Instruments.
4. Yuri Panov, Milan M.Jovanovi'c «Loop Gain Measurement of Paralleled DC-DC Converters With Average-Current-Sharing Control», IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 23, №6, NOVEMBER 2008.
1. Преобразователь напряжения, содержащий, по крайней мере, один силовой ключ, на один вывод которого подано входное напряжение, другой вывод подключен к входу трансформаторно-выпрямительного узла, на выходе которого вырабатывается выходное напряжение, поступающее на один вход делителя напряжения и далее через устройство сравнения на сумматор, в котором складывается с сигналом первого датчика тока, включенного в цепи силового ключа, и попадает на вход узла управления, включающего в себя широтно-импульсный модулятор и компаратор тока, где вырабатывается управляющий сигнал, поступающий на третий вывод силового ключа, отличающийся тем, что трансформаторно-выпрямительный узел содержит второй датчик тока, с выхода которого сигнал о выходном токе поступает на один вход узла параллельной работы, другой вход связан с выводом «ПАРАЛ», соединяемым при параллельной работе ИВЭ, а выход связан с другим входом делителя напряжения.
2. Преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что делитель напряжения содержит: первый резистор, на один вывод которого поступает выходное напряжение ИВЭ, к другому выводу которого подключены: один вывод второго резистора, другой вывод которого подключен к выходу узла параллельной работы, один вывод третьего резистора, к другому выводу которого подключены: вход узла сравнения и один вывод четвертого резистора, другой вывод которого подключен к общему выводу выходного напряжения ИВЭ.
3. Преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что узел параллельной работы содержит: первый транзистор, подключенный коллектором и базой через первый диод к выходу датчика тока и через конденсатор к общему выводу выходного напряжения ИВЭ; второй транзистор, подключенный коллектором к делителю напряжения и через первый конденсатор к базе, которая через второй резистор соединена с общим выводом выходного напряжения ИВЭ, через третий резистор с выходом датчика тока через второй диод, с общим выводом выходного напряжения ИВЭ через второй конденсатор и с выводом «ПАРАЛ» через четвертый резистор; эмиттеры первого и второго транзисторов подключены через первый резистор к общему выводу выходного напряжения ИВЭ.
