Регулируемый понижающий конвертор

Союз Советски Социалистических РеспубликОПИСАНИЕ( 618827ИЗОБРЕТЕН ИЯ ТОР СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 12.04.76 (21) 2347646/24-07 ( уу М. Кл Н 02 М 3/3 исоединением заявки Государственныи комитет,Совета Министров СССР оо делам изобретений и открытий.5 72) Авторы изобретени П, Боэнсо Колосков 71) Заявитель 4) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПОНИЖАЮ ОН ВЕРТО итания к сниИзобретение относится к электротехникеи может быть использовано в системах электропитания устройств автоматики, вычислительной техники, связи и т. п, для преобразования повышенного постоянного напряжения в низковольтное напряжение.5Известны понижаюшие конверторы, содержашие несколько преобразовательныхячеек с индивидуальными выпрямителями,включенных по входу последовательно, апо выходу параллельно 1. В таких конверторах отсутствует регулирование выходного напряжения,Известны регулируемые понижающие конверторы, в которых с помощью регулирующих ключей ячейки переключаются по входной цепи с последовательного соединения напараллельное 2.В таких конверторах в цепь пячеек включен диод, что приводитжению КПД конвертора.Цель изобретения - повысить КПД путем включения регулируюших ключей непосредственно параллельно входу части преобразовательных ячеек. Для повышения качества стабилизации управление регулирующими ключами осушествляется параметрически как от входного напряжения инвертора, 2 так и от интегрированной разности приведенных входного и выходного (напряжения на фильтрующем дросселе) напряжений и компенсационным способом путем коррекции интегратора от измерительного органа выходного напряжения конвертора.На фиг, 1 показана структурная схема конвертора; на фиг. 2 - диаграммы основных напряжений; на фиг. 3 - пример выполнения преобразовательной ячейки.Конвертор содержит входные выводы 1, на которые подается напряжение питания, и выходные выводы 2, к которым подключается нагрузка. К входным выводам 1 подключены соединенные последовательно дроссель 3 фильтра и преобразовательные ячейки 4 - 7 (в общем случае их количество может быть большим). Выпрямители 8, число которых равно числу преобразовательных ячеек, преобразуют выходное переменное напряжение преобразовательных ячеек в постоянное напряжение, которое сглаживается при помоши конденсатора 9 фильтра. Выходное напряжение конвертора регулируется с помощью регулируюших ключей 10, 11. В состав схемы управления последних входят измерительный орган 12 выходного напряжения, датчики 13 и 14 мгновенногодение напряжения на ячейке 4 близко к 60 значения напряжения, релейный элемент 15, интегратор 16, задающий генератор 17 фиксированной частоты, релейный элемент 8 с датчиком напряжения 19.Диаграммы, приведенные на фиг. 2, характеризуют: выходные импульсы задающего генератора (1.1,), напряжение на последовательной цепи преобразовательных ячеек 4 - 7 (Ь, 7), напряжение на выходе интегратора 16 (Б), напряжение на преобразовательной ячейке 4 (11), напряжение на выходных выводах 2 (Б,). Относительная величина переменной составляющей напряжения 1.)., показана условно. В действительности она исчисляется долями процента и определяется параметрами элементов филь тра.Регулирующий понижающий конвертор работает следуюгцим образом.С помощью преобразовательных ячеек 4 - 7 осуществляется преобразование постоянного напряжения в переменное прямоутольной формы, гальваническая развязка между входными и выходными зажимами, а также согласование входного и выходного напряжений преобразователя. В частности, ячейки 4 - 7 могут быть выполнены на соединен ных по мостовой схеме транзисторах 20 - 23 (фиг. 3) и трансформаторе 24. Коммутация транзисторов производится поочередно и непрерывно и может быть осуществлена от внешнего или внутреннего задающего генен 30 ратора, в последнем случае ячеика выполняется по схеме с самовозбуждением.Трансформатор, содержащийся в каждой ячейке, может иметь различный коэффициент трансформации, но при пояснении принципа работы удобно считать его одинаковым для всех ячеек и равным К,р.В варианте преобразователя, приведенном на фиг, 1, основным регулирующим элементом является ключ 10. Ключ 11 имеет вспомогательное назначение. Предположим, что исходное состояние ключей 10 и 11 40 Выключено.Если пренебречь короткими интервалами времени, когда происходит коммутация транзисторов 20 - 23 ячеек 4 - 7, можно считать. что цепочка последовательно соединен ных ячеек потребляет чисто постоянный ток, и, следовательно, падение напряжения на дросселе 3 близко к нулю, а суммарное напряжение на ячейках 4 - 7 равно напряжению на выводах 1.Рассмотрим теперь режим работы, когда 50 в течение части периода коммутации ячеек 4 - 7 осуществляется замыкание ключа 10, т, е. режим широтно-импульсного регулирования выходного напряжения преобразователя. Размыкание ключа 10 производится55 выходным сигналом релейного элемента 15, а отпирание - выходным импульсом задающего генератора 17.При открытом состоянии ключа 10 интервалы а - О, д - Т и т. д, (фиг. 2), панулю, и в работе участвуют оставшиеся ячейки 5 - 7.При закрытом состоянии ключа 10 в работе участвуют все ячейки.Поскольку из-за наличия индуктивности (дроссель 3) в цепи передачи тока ток нагрузки скачком измениться не может, и кроме того, параллельно нагрузке включен конденсатор 9, то во всех рассмотренных интервалах напряжение на нагрузке (выводы 2) должно оставаться неизменным (пульсацией напряжения из-за ее малой величины можно пренебречь) и по амплитуде равным Б,. Следовательно, при коммутации ключа 10 будет изменяться суммарное напряжение на всей цепи последовательно включенных ячеек 4 - 7 от значения 311 0 Кр (ключ 1 О замкнут) до значения 4 Г. К, (ключ 10 разомкнут, см, фиг. 2, диаграмму 11;).При этом в интервалах с замкнутым состоянием ключа 1 О амплитуда напряжения на выводах 1 будет больше напряжения 11 вследствие чего ток через дроссель 3 начинает возрастать, это увеличение тока используется для заряда конденсатора 9, и напряжение на нем также несколько возрастает.При разомкнутом состоянии ключа 10 .напряжение 11, -, больше 1, вследствие чего ток через дроссель 3 постепенно уменьшается, т. е. уменьшается ток подзаряда конденсатора 9, а следовательно, и напряжение на нем,Уровень выходного напряжения может регулироваться изменением соотношения длительностей включенного и выключенного состояний ключа 10.При использовании данного конвертора в качестве источника стабильного напряжения это может осушествляться с помощью приведенной на фиг. 1 схемы управления, В данной схеме имеется основное управляюшее воздействие, которое поступает через датчики 13, 14 мгновенных значений напряжений и интегратор 16 на релейный элемент 15, и дополнительное управляюшее воздействие по цепи отрицательной обратной связи через измерительный орган 12. Дополнительное управляюшее воздействие предназначено в основном для коррекции сигналов цепи управления, если они изменяются при эксплуатации, и представляет собой медленно изменяющуюся величину, которую в пределах одного периода коммутации можно считать постоянной.Процесс стабилизации напряжения по основной цепи управления происходит в каж-. дом периоде коммутации ключа 1 О и начинается с момента перевода его в отключенное состояние, когда выходное напряжение интегратора устанавливается равным нулю (момент времени а - фиг. 2). При этом схема управления выполнена так, чтобы выходные сигналы датчиков 13, 14 поступали на интегратор 16 в противофазе, вследствие чего выходное напряжение интегратора 16Форму.га изобретения 50 55 60 по мгновенному значению пропорционально разности средних интегральных значений напряжений Г)и Б,за конкретный интервал времени.В интервале а - Т эта разность отрицательна, и выходное напряжение интегратора 16 возрастает. С момента времени Т импульсом Г включается ключ 10, указанная разность становится положительной, и выходное напряжение интегратора 16 начинает уменьшаться. В момент времени /3 последнее становится равным нулю, что вызывает переключение релейного элемента 15, выходной сигнал которого запирает ключ 10. Далее процессы повторяются.Если изменится (например, увеличится) напряжение питания, то разность напряжений (Ь - ( ) станет меньше, напряжение Ь в интервале а - Т будет возрастать с меньшей скоростью (показано пунктиром). В итоге в интервале Т - д оно быстрее достигнет нулевого значения (в точке Д, и, следовательно, длительность включенного состояния ключа 10 уменьшится.Вследствие повысившегося значения входного напряжения разряд конденсатора 9 в интервале а - Т будет также происходить с меньшей скоростью (пунктир на фиг, 2 диаграмма (,), а время ускоренного заряда его в интервале Т - д уменьшится до величины Т - К вследствие чего изменится лишь амплитуда пульсации выходного напряжения преобразователя, а среднее его значение останется без изменения.Ключ 11 начинает функционировать в тех случаях, когда напряжение на выводах 1, отклоняется от номинального значения на такую величину, при которой диапазона регулирования выходного напряжения, обеспечиваемого с помошью ключа 10 и его схемы управления, становится недостаточно для поддержания заданного значения выходного напряжения,Если, например, напряжение на выводах 1 становится в процессе эксплуатации меньше критического значения, то это фиксируется датчиком напряжения 19, который вырабатывает команду на переключение релейного элемента 18, выходной сигнал которого открывает ключ 11. Последний удерживается в открытом состоянии все время, и хы напряжение на выводах 1 мецыце критического значения, и снова ЗкрЫВзется, если пи гаюшее напряжение в.эв 1)ыщается достаточно близко к номинальному значению. В последнем случае элемент 18 и датчик 19 возврашаются в исходное состояние.Для обеспечения работы преобразователя в более широком диапазоне изменения входного напряжения в схему могут быть введены дополцительць 1 е регулирующие элементы тица ключей 10, 11, которые подключаются аналогичным образом к другим ячейкам (например,5 или 6). Часть дополнительных элементов может функционировать в режиме широтно-импульсной модуляции. т. е 5 10 15 20 25 30 35 40 45 иметь схему управления, аналогичную схеме управления ключа 10, Другая часть дополнительных элементов может быть снабжена релейными устройствами типа элементов 1.8, 19. Г 1 оследцие при напряжении на выводах 1, близком к номинальному значецшо, могут также находиться во включенном состоянии и отключаться при больших оклонениях питающего напряжения.Общее количество регулирующих элем итов должно быть хотя бы на единицу меньше общего количества преобразовательных ячеек, с тем чтобы исключить возможность короткого замыкания всей цепи последовательно соединенных ячеек (при одновременном включении всех регулирующих элементов), а также чтобы осуществить непрерывную передачу энергии от входной пепи к нагрузке (хотя бы через одну из преобразовательных ячеек).Каждая ячейка может быть выполнена по полумостовой или по мостовой схеме (фиг. 3). Применение последней позволяет объединить в одних и тех же транзисторах функции коммутируюших элементов, инвертируюших напряжение на первичной обмотке трансформатора 24 и функции регулируюших элементов типа ключей 10, 11.Действительно, если в интервале времени, в котором включены транзисторы 20, 23, обеспечить с помощью схемы управления включенное состояние, например, транзистора 21, то в этом состоянии транзисторы 20, 21 будут выполнять роль замкнутого регу- . лирующего элемента, включенного параллельно данной ячейке. Это позволяет уменьшить количество силовых транзисторов в схеме преобразователя и повысить коэффициент их использования.В относительно маломощных вариантах преобразователя дроссель 3 фильтра может быть включен между выходными зажимами выпрямителей 8 и выходными выводами 2 с подключенным к ним конденсатором 9 фильтра. При этом напряжение вида Б,будет иметь место на выходных зажимах выпрямителей 8, остальные диаграммы, как и принцип работы конвертора в целом, остаются без изменения. 1. Регулируемый понижающий конвертор, содержащий М преобразовательных ячеек с индивидуальными выпрямителями, соединенных по входу последовательно, а по выходу параллельно, сглаживающий 1.С-фильтр и регулирующие ключи, управляемые от релейных элементов, связанных с входными питаюШими выводами конвертора, отличаои 1 ийся тем, что, с целью повышения КПД, указанные ключи сое ецы непосредственно со входами М преобразовательных ячеек,61882 г.г григ т ель В. Моин Остап Редактор В заказ 4 от орректор Л. Неболодписное Текрсд О. ЛугГпракк 8 Ч 2 Фсльдмаго 11 ИП 4 Государстнснн го когг,:сга Сгппо делам иаобре 1 сний и13035, Москва, Ж-,35, а 1 шскаяФилиал П 11 П П 1 гент. г. сковород,ов СССР-а Министр ткрытийнаб., д. 4 ул. Проектгде М по меньшей мере на оду ячейку меньне 2. Конвертор, отличающийся тем, что, с целью повышения качества стабилизации и напряжения, вход релейного элемента одних из М ячеек соединен непосредственно со входными питающими выводами конвертора, а вход релейного элемента других М ячеек соединен с выходом интегратора, входы которого соединены с зажимами дросселя указанного фильтра и с выходом измерительного органа выходного напряженияконвертора,Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:5 1. Устройства вторичных источников электропитания. РЭА, изд, МДНТП, 1976, с, 56.2, Современные задачи преобразовательной техники, изд. ИЭД АН УССР, Киев,1975, часть 2, с. 374, рис. 2.