Резервированный источник питания постоянного напряжения
Владельцы патента RU 2604662:
Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания ответственной радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в повышении надежности резервированного источника питания и в снижении вероятности поражения электрическим током людей и оборудования. Резервированный источник питания постоянного напряжения содержит гальванически изолированные стабилизаторы напряжения и мощности, которые позволяют полностью изолировать высоковольтные и низковольтные цепи, обезопасить людей и оборудование от поражения электрическим током. Повышение надежности резервированного источника питания заключается в применении схемы обратноходового преобразователя напряжения, которая позволяет упростить схему усилителя мощности. Также повышение надежности резервированного источника питания достигается за счет применения упрощенной схемы узла управления. Использование гальванически изолированного стабилизатора мощности, который защищает резервированный источник питания от перегрузок и обеспечивает параллельную работу нескольких каналов, также повышает надежность резервированного источника питания. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания ответственной радиоэлектронной аппаратуры.
Известен резервированный источник питания постоянного напряжения (SU 1312678 A, H02J 9/00, 23.05.1987), содержащий N параллельно включенных конверторных ячеек, управляющие входы которых соединены с выходом узла управления, узел контроля целостности конверторных ячеек, выполненных с использованием элементов И, НЕ, ИЛИ-НЕ и пикового детектора, причем входы элемента И соединены с синфазными промежуточными выходами конверторных ячеек, а вход элемента НЕ - с выходом узла управления, входы элемента ИЛИ-НЕ подключены к выходам элементов И и НЕ, и выход - к входу пикового детектора.
Недостатком известного резервированного источника питания является то, что из-за разброса параметров уставки каналов резервированного источника питания один из каналов, выходное напряжение которого, пусть и незначительно, превышает напряжение других каналов, становится ведущим и своим выходным напряжением запирает схемы управления остальных каналов. При отказе ведущего канала из-за инерционности схемы управления резервного канала и из-за наличия реактивных элементов в его силовой цепи на время переходных процессов возникает провал напряжения на выходе резервированного источника питания, что является недопустимым для радиоэлектронной аппаратуры.
Известен резервированный источник питания постоянного напряжения (RU 2251777 C2, H02J 09/00, опубл. 10.05.2005), наиболее близкий по своей технической сущности и выбранный в качестве прототипа.
Данное устройство содержит первый и второй каналы стабилизированных преобразователей напряжения, входы которых соединены параллельно и подключены к источнику первичного питания, выходы соединены параллельно и подключены к нагрузке. В состав каждого канала входит усилитель мощности, входы которого соединены со входами канала, силовой выпрямитель, сглаживающий фильтр, второй выход которого подключен ко второму выходу канала. А также узел управления, первый выход которого соединен с первым управляющим входом усилителя мощности. При этом в состав узла управления входит задающий генератор. В каждый канал резервированного источника питания постоянного напряжения введены выпрямительный диод, фильтрующая цепь, усилитель рассогласования и отсекающий диод, причем выход фильтрующей цепи первого канала соединен с первым входом усилителя рассогласования первого канала и со вторым входом усилителя рассогласования второго канала, выход фильтрующей цепи второго канала соединен с первым входом усилителя рассогласования второго канала и вторым входом усилителя рассогласования первого канала.
У известного резервированного источника питания выявлены следующие недостатки. Во-первых, перекрестные обратные связи между каналами усложняют работу системы и не позволяют объединить в резервированном источнике питания более двух каналов. В-вторых, в данном резервированном источнике питания используется сложная схема управления усилителем мощности, что ведет к снижению быстродействия обратной связи при формировании сигнала управления усилителем мощности. В-третьих, в состав усилителя мощности входит мостовой преобразователь на транзисторах, что ведет к увеличению габаритно-массовых характеристик источника питания, а также к повышению сложности управления усилителем мощности. Все указанные недостатки приводят к низкой надежности резервированного источника питания постоянного напряжения. Также в известном резервированном источнике питания отсутствует гальваническая изоляция первичных и вторичных цепей. Указанные цепи гальванически соединены через узел управления, что ведет к снижению степени защиты оборудования и людей от поражения электрическим током.
Технические результаты заключаются в повышении надежности резервированного источника питания и в снижении вероятности поражения электрическим током людей и оборудования.
Заявленный резервированный источник питания постоянного напряжения содержит, по меньшей мере, два канала стабилизированных преобразователей напряжения. В состав каждого канала входит усилитель мощности, входы которого соединены с входами канала, силовой выпрямитель, сглаживающий фильтр, узел управления. Второй выход сглаживающего фильтра подключен ко второму выходу канала. Выход узла управления соединен с управляющим входом усилителя мощности.
Для достижения указанного технического результата в составе каждого канала усилитель мощности соединен с первичными обмотками первого и второго трансформаторов. Первые выводы вторичной обмотки первого и второго трансформатора соединены соответственно со входом и выходом силового выпрямителя. Вторые выводы вторичных обмоток первого и второго трансформаторов соединены со сглаживающим фильтром, который подключен к гальванически изолированному стабилизатору напряжения, гальванически изолированному стабилизатору мощности, датчику тока, а также блоку защиты, который обеспечивает защиту резервированного источника питания от перенапряжения и короткого замыкания. Выходы гальванически изолированного стабилизатора напряжения и гальванически изолированного стабилизатора мощности являются управляющими входами. Датчик тока соединен с гальванически изолированным преобразователем мощности, его второй вход - определение уровня стабилизации мощности.
Второй выход датчика тока подключен к первому входу блока защиты, выход которого соединен с первым выходом канала.
Является предпочтительным, если первый вход усилителя мощности соединен с его первым выходом, а второй вход - с четвертым выходом.
Усилитель мощности состоит из транзистора, драйвера управления транзистором, двух диодов и двух конденсаторов. Сток транзистора является вторым выходом усилителя мощности и при этом соединен с первым выводом второго конденсатора. Второй вывод второго конденсатора подключен к точке соединения анода первого диода и катода второго диода. Катод первого диода подключен к первому выводу первого конденсатора и первому выходу усилителя мощности, анод второго диода является третьим выходом усилителя мощности. Исток транзистора подключен ко второму выводу первого конденсатора и четвертому выходу усилителя мощности, а затвор транзистора подключен к выходу драйвера управления, входом которого является управляющий вход усилителя мощности.
Также является предпочтительным, если в состав узла управления входит задающий генератор, входами которого являются управляющие входы узла управления, а выход его соединен с входом формирователя импульсов, выход которого является выходом узла управления.
На чертеже представлена функциональная схема резервированного источника питания постоянного напряжения.
На чертеже показано:
1 - канал стабилизированного преобразователя;
2 - усилитель мощности;
3 - силовой выпрямитель;
4 - сглаживающий фильтр;
5 - узел управления;
6 - первый трансформатор;
7 - второй трансформатор:
8 - гальванически изолированный стабилизатор напряжения;
9 - датчик тока;
10 - блок защиты;
11 - гальванически изолированный стабилизатор мощности;
12 - транзистор;
13 - драйвер управления;
14 - второй диод;
15 - первый диод;
16 - второй конденсатор;
17 - первый конденсатор;
18 - задающий генератор;
19 - формирователь импульсов;
20 - первая входная клемма;
21 - вторая входная клемма;
22 - первый выход;
23 - второй выход.
Резервированный источник питания постоянного напряжения содержит два канала стабилизированных преобразователей напряжения 1, входы и выходы которых соединены параллельно. В состав каждого канала входит усилитель мощности 2, входы которого соединены с входами канала 1, силовой выпрямитель 3, сглаживающий фильтр 4, узел управления 5. Второй выход сглаживающего фильтра 4 подключен ко второму выходу канала 1. Выход узла управления 5 соединен с управляющим входом усилителя мощности 2.
В составе каждого канала 1 выходы усилителя мощности 2 соединены с первичными обмотками первого и второго трансформаторов 6, 7. Вторые выводы вторичных обмоток первого и второго трансформаторов 6, 7 соединены с входами сглаживающего фильтра 4. Вход силового выпрямителя 3 соединен с первым выводом вторичной обмотки второго трансформатора 7, а его выход - с первым выводом вторичной обмотки первого трансформатора 6. Первый выход сглаживающего фильтра 4 подключен к первому входу гальванически изолированного стабилизатора напряжения 8 и входу датчика тока 9. Второй выход сглаживающего фильтра 4 подключен ко вторым входам блока защиты 10, гальванически изолированного стабилизатора напряжения 8 и гальванически изолированного стабилизатора мощности 11. Выход гальванически изолированного стабилизатора напряжения 8 является первым управляющим входом узла управления 5. Выход гальванически изолированного стабилизатора мощности 11 является вторым управляющим входом узла управления 5. Первый выход датчика тока 9 является первым входом гальванически изолированного преобразователя мощности 11. Второй выход датчика тока 9 подключен к первому входу блока защиты 10, выход которого соединен с первым выходом канала 1.
Первый вход усилителя мощности 2 соединен с его первым выходом, а второй вход - с четвертым выходом. В состав усилителя мощности 2 входит обратноходовой преобразователь напряжения, состоящий из транзистора 12, драйвера управления транзистором 13, двух диодов 14, 15 и двух конденсаторов 16, 17. Сток транзистора 12 является вторым выходом усилителя мощности 2 и при этом соединен с первым выводом второго конденсатора 16. Второй вывод второго конденсатора 16 подключен к точке соединения анода первого диода 15 и катода второго диода 14. Катод первого диода 15 подключен к первому выводу первого конденсатора 17 и первому выходу усилителя мощности 2, анод второго диода 14 является третьим выходом усилителя мощности 3. Исток транзистора 12 подключен ко второму выводу первого конденсатора 17 и четвертому выходу усилителя мощности 2, а затвор транзистора 12 подключен к выходу драйвера управления 13, входом которого является управляющий вход усилителя мощности 2.
В состав узла управления 5 входит задающий генератор 18, входами которого являются управляющие входы узла управления 5, а выход его соединен с входом формирователя импульсов 19, выход которого является выходом узла управления 5.
Так как резервированный источник питания постоянного напряжения состоит из двух или более идентичных каналов, то принцип его работы рассмотрим на примере одного канала. Устройство работает следующим образом.
При подаче первичного питания на входные клеммы 20 и 21 резервированного источника напряжение питания поступает на входы усилителя мощности 2 и на узел управления 5. При этом задающий генератор 18 начинает формировать прямоугольные импульсы положительной полярности заданной частоты. Импульсы положительной полярности с выхода задающего генератора 18 поступают на вход формирователя импульсов 19. Выходной сигнал формирователя импульсов 19 поступает на управляющий вход усилителя мощности 2 с длительностью импульса, обеспеченной формирователем импульсов 19, и частотой задающего генератора 18. Дальнейшее преобразование сигнала управления в усилителе мощности 2 осуществляется драйвером управления 13. Драйвер управления 13 предназначен для преобразования маломощных импульсов сигнала управления усилителя мощности 2 в мощные сигналы управления транзистором 12.
Когда транзистор 12 открыт, напряжение питания усилителя мощности 2 прикладывается к первичной обмотке первого трансформатора 6. В это время энергия, запасенная во втором конденсаторе 16, прикладывается к первичной обмотке второго трансформатора 7. При этом второй конденсатор 16, отдавая запасенную энергию, разряжается по цепи второй конденсатор 16 - второй диод 14 - второй трансформатор 7. Когда транзистор 12 закрыт, энергия, запасенная первичной обмоткой первого трансформатора 6, заряжает разрядившийся второй конденсатор 16 через первый диод 15. Не освободившаяся после преобразования энергия возвращается в первый конденсатор 17.
Напряжение, определяемое коэффициентами трансформации первого 6 и второго 7 трансформаторов, выпрямляется силовым выпрямителем 3 и фильтруется сглаживающим фильтром 4. Выпрямленное напряжение поступает на входы гальванически изолированного стабилизатора напряжения 8 и датчика тока 9. После чего постоянное стабилизированное напряжение через блок защиты 10 поступает на выходы 22, 23 канала 1, где объединяется с напряжением другого канала 1.
Рассмотрим работу канала 1 резервированного источника питания в динамическом режиме. Отфильтрованное сглаживающим фильтром 4 напряжение измеряется гальванически изолированным стабилизатором напряжения 8. В случае превышения измеренного сигнала заданного уровня напряжения на выходе гальванически изолированного стабилизатора напряжения 8 формируется первый сигнал рассогласования, являющийся первым управляющим входом узла управления 5. При поступлении на вход задающего генератора 18 первого сигнала рассогласования частота задающего генератора 18 снижается, и соответственно снижается частота управления транзистором 12. В результате чего напряжение, измеряемое на сглаживающем фильтре 4, снижается до заданного уровня.
В каждом из каналов 1 предусмотрен гальванически изолированный стабилизатор мощности 11, защищающий канал 1 от перегрузок и обеспечивающий параллельную работу двух или более каналов. Рассмотрим его работу. Микроконтроллер (на чертеже не показан) перемножает значения напряжения, измеренного гальванически изолированным стабилизатором напряжения 8, и тока, измеренного датчиком тока 9. Измеренное значение тока с выхода датчика тока 9 поступает на первый вход гальванически изолированного стабилизатора мощности 11. В случае превышения уровня заданной мощности микроконтроллер формирует управляющий сигнал, поступающий на второй вход гальванически изолированного стабилизатора мощности 11. В связи с этим на выходе гальванически изолированного стабилизатора мощности 11 формируется сигнал рассогласования, являющийся вторым управляющим входом узла управления 5. В результате чего частота задающего генератора 18 снижается, снижается частота управления транзистором 12 - значение отдаваемой в нагрузку мощности сокращается.
В случае возникновения короткого замыкания в нагрузке гальванически изолированный стабилизатор мощности 11 уменьшит напряжение на выходе канала 1 до нуля и блок защиты 10 отключит канал 1 от нагрузки.
Рассмотрим совместную работу каналов при работе на одну нагрузку. В случае использования нагрузки, требуемой большей отдачи мощности, чем задано для канала 1, гальванически изолированный стабилизатор мощности 11 зафиксирует превышение заданного уровня отдаваемой мощности и сформирует сигнал рассогласования для ограничения отдаваемой мощности. При этом другой канал 1 для выравнивания отдаваемой мощности между каналами увеличит мощность, отдаваемую в нагрузку, за счет формирования соответствующих сигналов рассогласования на первом и втором управляющих входах узла управления 5. Таким образом происходит перераспределение мощностей между каналами.
Таким образом, введение гальванически изолированных стабилизаторов напряжения 8 и мощности 11 позволяет полностью изолировать высоковольтные и низковольтные цепи, обезопасить людей и оборудование от поражения электрическим током.
Повышение надежности резервированного источника питания заключается в применении схемы обратноходового преобразователя напряжения, которая позволяет упростить схему усилителя мощности 2.
Также повышение надежности резервированного источника питания достигается за счет применения упрощенной схемы узла управления 5.
Использование гальванически изолированного стабилизатора мощности 11, который защищает резервированный источник питания от перегрузок и обеспечивает параллельную работу нескольких каналов, также повышает надежность резервированного источника питания.
1. Резервированный источник питания постоянного напряжения, содержащий, по меньшей мере, два канала стабилизированных преобразователей напряжения, в состав каждого канала входит усилитель мощности, входы которого соединены с входами канала, силовой выпрямитель, сглаживающий фильтр, второй выход которого подключен ко второму выходу канала, узел управления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя мощности, отличающийся тем, что усилитель мощности соединен с первичными обмотками первого и второго трансформаторов, первые выводы вторичной обмотки первого и второго трансформатора соединены соответственно со входом и выходом силового выпрямителя, а вторые выводы вторичных обмоток первого и второго трансформаторов соединены со сглаживающим фильтром, который подключен к гальванически изолированному стабилизатору напряжения, гальванически изолированному стабилизатору мощности, датчику тока, а также блоку защиты, при этом выходы гальванически изолированного стабилизатора напряжения и гальванически изолированного стабилизатора мощности являются управляющими входами узла управления, а датчик тока соединен с гальванически изолированным стабилизатором мощности и с блоком защиты, выход которого соединен с первым выходом канала.
2. Резервированный источник питания постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что усилитель мощности состоит из транзистора, сток которого является вторым выходом усилителя мощности, при этом сток транзистора соединен со вторым конденсатором, вывод которого подключен к точке соединения анода первого диода и катода второго диода, при этом катод первого диода подключен к выводу первого конденсатора и первому выходу усилителя мощности, анод второго диода является третьим выходом усилителя мощности, исток транзистора подключен к выводу первого конденсатора и четвертому выходу усилителя мощности, затвор транзистора подключен к драйверу управления, входом которого является управляющий вход усилителя мощности.
3. Резервированный источник питания постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что в усилителе мощности его первый вход соединен с его первым выходом, а второй вход - с четвертым выходом.
4. Резервированный источник питания постоянного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что в состав узла управления входит задающий генератор, входами которого являются управляющие входы узла управления, соединенный с формирователем импульсов, выход которого является выходом узла управления.
