Устройство для управления @ -фазным импульсным регулятором постоянного напряжения

 

Сущность изобретения: устройство для управления rrt-фазным импульснь-м регулятором постоянного напряжения содержит задающий генератор 1, m широтно-импульсных модуляторов 2,3,4, m-фазный распределитель импульсов, m формирователей управляющих сигналов 9,10,11. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК () 9) (11) (sa)s Н 02 M 7/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ФиГ. 1 (21) 4850489/07 (22) 17.07.90 (46) 07.10.92. Бюл, ¹ 37 (71) Московский текстильный институт им.

А.Н. Косы гина (72) А.B.×åñíîêîa и В.Б.Лебедев (56) Авторское свидетел ьство СССР

N 101941 3, кл. 6 05 f i/05, 1983.

Иуваев Ю,Н., Виленкин А.Г. Много@азные импульсные стабилизаторы, В кн.Электронная техника вавтоматике,,вып .9, "Сов, радио", 1977, с.70-83, рис.1., c,71. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ mФАЗНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Сущность изобретения: устройство для управления m-фазным импульснь:м регулятором постоянного напряжения содержит задающий генератор 1, m широтно-импульсных модуляторов 2,3,4, m-фазный распределитель импульсов, m формирователей управляющих сигналов 9,10,11. 5 ил.

1767669

35

50

Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано при создании блоков питания радиоаппаратуры и регулируемых электроприводов постоянного тока, Известен многофазный импульсный стабилизатор, содержащий силовой узел, выполненный в виде m параллельно включенных полупровод>никовых модулей и блок управления, который включает в себя задающий генератор, Широтно-импульсный модулятор и формирователь управляющих сигналов, Для формирования сигналов управления силовыми ключами полупроводниковых модулей, блок управления содержит два формирователя тактовых импульсов, формирователь строб-импульсов, источник опорного напряжения, m триггеров, m элементов И-НЕ, универсальный mразрядный регистр, второй m-разрядный регистр,.схему сравнения и блок вспомогательного напряжения, Недостатком такого устройства является его относительная сложность.

Основным недостатком всех известных схем многофазных импульсных преобразователей, во многом ограничивающим их применение, является возникновение низкочастотных пульсация выходного тока (напря>кения) обусловленных несимметрией в управлении силовыми модулями и неидентичностью их параметров, Наиболее близким по существу технического решения является многофазный импульсный транзисторный регулятор (стабилизатор) постоянного напряжения, содержащий m параллельно включенных силовых модулей, выполненных по схеме однотэктного прямого конвертора, Устройство для управления преобразователем со.держит задающий генератор и m канальный распределитель импульсов, выходы которого подключены. ко входам m модуляторов ширины импульсов, выходами $1,S2,.„Sm соединенных с управляющими входами силовых транзисторов модулей преобразователя. Распределитель импульсов обеспечивает формирование управляющих сигналов с фазным сдвигом 2 л/m, обеспечивая попеременно открытое состояние ключей модулей преобразователя. Модулятор ширины импульсов обеспечивает в соответствии с управляющим сигналом изменение относительной длительности открытого состояния ключа от 0 до 1.

Преимущества многофазных преобразователей, как было указано, могут быть полностью реализованы только при условии симметрии в управлении силовыми модулями и идентичности параметров используемых компонентов схемы. Однако операционные усилители, обычно применяемые в схемах генераторов пилообразного напряжения модуляторов ширины импульсов, имеют значительный разброс коэффициентов усиления, величины входного сопротивления и пр. В результате, длительность выходного управляющего сигнала 3132...Sп в каждом из каналов оказывается различной, Это приводит к ухудшению качества выходного напряжения преобразователя за счет возникновения в выходном напряжении низкочастотных пульсаций (с периодом

2 г) и, как следствие, к необходимости увеличения массо-габаритных показателей выходного фильтра.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения путем симметрирования сигналов управления силовыми модулями и улучшение массо-габаритных показателей преобразователя за счет уменьшения данных показателей выходного фильтра, Для дости>кения поставленной цели предложенное устройство для управления

m-фазным импульсным регулятором постоянного напряжения, как и известное, содержит задающий генератор, выходом подключенный к m-фазному распределителю импульсов и m широтно-импульсных модуляторов с выходами S1S2...Sm имеющих общий управляющий вход, В отличие от известного, предложенное устройство снабжено m формирователями управляющих сигналов, выходы ф1, 1j>2..., 1pm которых использованы как выходные выводы и предназначены для подключения к управляющим входам силовых ключей регулятора.

Одна группа входов формирователей управляющих сигналов подключена к соответствующим парафазным выходам

01,01,02,02„,0 п,0а m-фазного распределителя импульсов, выполненного по схеме регистра сдвига, другая группа входов — к выходам S1S2...Sm широтно-импульсных модуляторов. Синхронизирующие входы модуляторов подключены к выходу задающего генератора. Связи между входами и выходами вышеупомянутых формирователей управляющих сигналов определяются логическим выражением ф= QjSmQj+1S10j+2S2 „Qj+m-1SI-1 +

+QjSmQj+1S10j+2 S2...Qj+m-1Sm-.1, где j = 1, 2...m, причем если индекс j npu Q оказывается больше m, то его величина уменьшается на m с одновременной инверсией сигнала Q, 1767669

10

20

На фиг.1 показана схема предложенноI o устройства для управления многофазным импульсным регулятором постоянного напряжения; на фиг,2 — временные диаграммы, поясняющие принцип формирования управляющих сигналов ключами преобразователя; на фиг,3 — принципиальная схема силовой части многофазного импульсного регулятора постоянного напряжения; на фиг,4 — вариант блока широтно-импульсных модуляторов устройства; на фиг.5 — временные диаграммы, иллюстрирующие работу блока широтно-импульсных модуляторов при различных значениях сигнала управления, Устройство для управления многофазным импульсным регулятором постоянного напря>кения (см. фиг,1) содержит задающий генератор 1, выходом подключенный к синхронизирующим входам модуляторов ширины импульсов (на схеме фиг.1 m = 3) 2-4 и

m-канального регистра сдвига 5, который может быть выполнен, например, на l — К триггерах 6 — 8 с перекрестной связью. Парафазные выхоДы Q1,01...Qm,Qm тРиггеРов 6 — 8 и выходы S1,S2...Sm модуляторов ширины импульсов 2-4 подключены к соответствующим входам формирователей управляющих сигналов 1/>1, 1/>2, 1/3 9-11, выходы которых использованы как выходные выводы устройства, При гп = 3 связи между выходами

Q1,Q1...03,О3 триггеров 6 — 8 S1,S2,S3 модуляторов ширины импульсов 2 — 4 и выходами

z/ã1 1/.2z/. формирователей управляющих сигналов 9 — 11 определяются следующими логическими выражениями:

1/>1 = Q1S3Q2S1Q3S2 + Q1S3Q2S1Q3S2

1/2 = Q2S3Q3S1Q1S2 + g2S3Q3S1Q1S2

1/3 = Q3S3Q1S1Q2S2 + Q3S30181С1252

Эти выражения полностью и однозначно определяют внутреннюю структуру формлрователей управляющий импульсов 9 — 11, Конкретный вариант, приведенный на фиг,1 содержит четыре элемента 2И вЂ” НЕ 12 — 15, и элемент 4И вЂ” 2ИЛИ 16. Связи между их Вхо дами и выходами определяются соответствующим вышеприведенным выражением.

В общем случае, для любого числа m каналов многофазного импульсного регулятора, структура формирователей управляющих сигналов 9 — 11 изменяется. Связи между его входами и выходами 1/>1 определяется следующим, справедливым для любого значения ITI, логлческим выражением:

1/) = QjSmQj+1S1Qj+2S2" Qj+m-1Sm+1 +

+QjSmQj+1S1Qj+2S2 "Qj+m-1Sm-1 причем если индекс j npu Q оказывается больше, m то его величина должна быть

55 уменьшена на m с одновременной инверсией сигнала Q.

Силовая часть многофазного импульсного преобразователя (см. фиг,3) аналогична структуре известного преобразователя, Она содержит m параллельно включенных силовых модулей, выполненных по схеме однотактного прямого конвертора, в виде m дросселей 17-19 и обратных диодов 20-22, включенных в цепь своего регулирующего транзистора 23-25, Одним общим выводом (точкой соединения коллекторов транзисторов 23 — 25) упомянутые модули подключены к первому выводу 26 источника питания, а другим (точкой соединения дросселей 17 — 19), образуют выходной вывод регулятора. К выходным выводам подключен конденсатор 27 фильтра, Ко второму выводу 28 источника питания (являющему также вторым выходным выводом регулятора) подключены общей точкой m обратных диодов 20 — 22, вторыми электродами соединенных с общими точками вышеуказанных транзисторов 23 — 25 и дросселей 17 — 19 в каждом из силовых модулей регулятора, Модуляторы ширины импульсов 2 — 4 могут быть выпoRHBHI I, например, по известной схеме, включающей генератор пилообразного напряжения 29-31, выходом подключенный к одному из входов компаратора 32 — 34, второй вход которого соединен с источником управляющего сигнала U . На фиг.4 представлен один из возможных вариантов блока модуляторов ширины импульсов 2 — 4. Генераторы пилообразного напряжения 29 — 31 выполнены на операционных усилителях 35 — 37 охваченных 100% отрицательной обратной связью и подключенных входом через резистор 38-40 к интегрирующей цепочке из резистора 41-43 и конденсатора 44-46, шунтлрованного транзистором 47 — 49, подключенными общим входом к выходу задающего генератора 1.

Выходы операционных усилителей 35 — 37 являются выходами генераторов пилообразного напряжения 29 — 31. Заметим, что к

ИотОЧНИКУ УПРаВЛЯЮЩЕГО СИГНаЛа Ugm-1 КОМпаратор(50. 51) подключены одноименными входами, а последний, m компаратор 52— противофазным входом. Принцип формирования управляющих сигналов 1/г1, 1/2, 1/>3 (0з,U1o,U11) поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг,2, Так сигнал U1 с выхода задающего генератора 1 синхронизирует работу регулятора и определяет его внутреннюю (рабочую) частоту;

При подаче сигнала U1 на счетный входтриггеров 6-8 распределителя импульсов 5, на

1767669 выходах поЧледнего будут сформированы

ПарафаЗНЫЕ СИГНаЛЫ 0Š— 0В(01,Q1...QmQm) сдвинутые по фазе на угол K/m, которые поступают на соответствующие входы формирователей управляющих сигналов 9 — 11.

Основной особенностью работы устройства является порядок формирования выходных сигналов 02,03,04($1Я2...Sm) модуляторов ширины импульсов 2 — 4, во многом определяющий внешнюю характеристику преобразователя и качество его выходного напряжения, Очевидно, что из-за возможного разброса характеристик элементов параметры выходных сигналов U2 — 04 модуляторов ширины импульсов 2 — 4, в общем случае не одинаковы, т.е. S1 Ф $2 Ф - $з. При управлении многофазным импульсным преобразователем с помощью известного устройства, это приводило к возникновению низкочастотных пульсаций выходного напряжения.

Предложенное устройство позволяет полностью устранить указанный недостаток да>ке npè заведомой несимметрии параметров модуляторов ширины импульсов 2 — 4. Поясним сказанное. Синхронизированные общим сигналом U1 с выхода задающего генератора 1, генераторы пилообразного напряжения 29 — 31, входящие в состав указанных модуляторов ширины импульсов 2 — 4 формируют на выходах синфазные напряженля соответствующей формы (см. фиг,5).

Резисторами 38 — 34, которые обеспечивают изменение постоянной составляющей выходного сигнала и его амплитуды, задают максимальное значение выходного сигнала первого генератора пилообразного напря>кения 29 равными минимальному значению выходного напряжения второго генератора

30. В свою очередь максимальное значение выходного напряжения второго генератора . пилообразного напряжения 30 задают равным минимальному значению выходного напря>кения третьего генератора 31 и т,д, Эти сигналы поступают на соответствующие входы компараторов 32 — 34, а на вторые их входы поступает сигнал управления.

При любом значении сигнала управления 0у на выходе только одного из компараторов 32 — 34 будет присутствовать сигнал переменной скважности, а на выходах всех остальных, сигнал будет равен либо нулю. либо единице. Тем самым устраняется основная причина несимметрии выходных управляющих сигналов устройства, т,к. в любой момент времени каждый сигнал

v/ë v/ë...1/ формируются на основании только одного сигнала Sn à его распределение по фазам (фазовый сдвиг), осуществля5

55 ется при помощи узлов формирования управляющих сигналов 9 — 11.

Сформированные последовательности

ИМПУЛЬСОВ Q1Q1...QmQm И S1 S2. ° .,Sm ПОСтупают на входы соответствующих элементов узлов 9 — 11, на выходах которых после осуществления соответствующих логических операций будут получены новые последоватЕЛЬНОСтИ ИМПУЛЬСОВ ф1, Я...,, 1/m ОпРеделяемые вышеприведенными логическими выражениями, Номер каждого элемента 12—

16 в узле 9 соответствует индексу полученной последовательности импульсов, некоторые из которых приведены на фиг,2, В зависимости от величины управляющего сигнала 0„форма выходных сигналов

1/21, 1/2, Q устройства изменяется, Это определяется видом сигналов 02-U4 модуляторов ширины импульсов (см, фиг,5). Если сигнал управления U меньше амплитуды пилообразного напря>кения первого генератора 29, то выходной сигнал S1 имеет вид модулированного сигнала (см. U2 на фиг.2а), сигнал Я2 — имеет нулевой, а сигнал Яз (в общем случае Sm) — положительный потенциал (см, фиг.5а). Последовательности управляющих сигналов

20, но меньше амплитуды сигнала второго генератора 30, то cv.ãíàë Я, приобретает положительный потенциал, сигнал S2 становится модулированным, а сигнал Яз остается имеющим положительный потенциал (см. фиг.5б), В результате выходные сигналы

1/>1, 1/>2, 1/>з устройства приобретают вид модулированного сигнала, относительная длительность которого изменяется от 2/m до

1/m (см, сигнал Ug на фиг.2б). И, наконец, если сигнал управления 0 превысит амплитуду выходного сигнала второго генератора пилообразного напряжения 30, то сигналы

S1 и S2 становятся положительными, а сигнал Яз — модулированным, относительная длительность которого изменяется от 1 до О, Относительная длительность выходных сигналов 1/1, 1/2, 1/ устройства при этом изменяется от 1/m до 0 (см. Ug на фиг.2в), Очевидйо, что в каждый момент времени длительность каждого из управляющих сигналов <

1767669

10 и, . 6

Ll

1 8 (4 а) ц и„

Orv

0(3 ц (у,) И3 и, б) ач

0,3

Ks 4(ж) Фиг. 2

Сформированные последовательности управляющих сигналов ф1, Я, фз после необходимого усиления и гальванической развязки, подают на упргвля1ощие входы транзисторов 23-25, и обеспечивают формирование заданного выходного напряжения преобразователя.

Как уже указывалось, многофазные импульсные преобразователи обладают рядом преимуществ, в частности, фильтрующие элементы многофазных схем существенно меньше по суммарной массе и объему по сравнению с фильтрами преобразовательных схем, построенных по традиционным структурам, при одинаковых требованиях к параметрам (качеству) выходного напряжения, условиям электромагнитной совместимости и надежности функционирования.

Указанные преимущества могут быть полностью реализованы только при условии симметрии в управлении силовыми ячейками и идентичности параметров используемых компонентов схем, Предложенное устройство для управления m-фазным импульсным регулятором (или стабилизатором} постоянного напряжения, даже при заведено неодинаковых параметрах модулированных сигналов управления, обеспечивает принципиальное отсутствие низкочастотных пульсаций в выходном напряжении, обусловленных вышеназванными причинами.

Формула изобретения

Устройство для управления m-фазным импульсным регулятором постоянного напряжения, содержащее задающий генера5 тор, выходом подключенный к m-фазному распределителю импульсов, и m широтноимпульсных модуляторов с выхОдами

S1,S2,. „Sm è с общим управляющим входом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

10 улучшения качества выходного напряжения, оно снабжено п1 формирователями управляющих сигналов, выходы ф1,ф ...,, Qm КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗОВаНЫ КаК выходные выводы устройства, а входы под15 ключены к соответствующим парафазным

ВЫХОДаМ Q1 Q1 Q2 Q2„.,Qm,Qm m-фаЗНОГО распределителя импульсов, выполненного по схеме регистра сдвига, и к выходам широтно-импульсных модуляторов, синхрони20 зирующие входы которых подключены к выходу задающего генератора, связи между входами и выходами упомянутых формирователей управляющих сигналов определены логическим выражением

Я = О S Qj )SI0jt2S2...0j+m 13m-t

+QjSmQj+1S1Qj+2S2" Qj+m-1$ -1 где j = 1,2„...m, причем если индекс j npu Q больше m, то его величина уменьшена íà m

З0 с одновременной инверсией сигнала Q.

1767669

Фиг. 5 миг. 4

Составитель А,Чесноков

Техред М,Моргентал Корректор M,Максимишинец

Редактор

Заказ 3557 Тираж Подписное

ВНИ!г)ПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 5

I! — 4! ! ч

J (:.цУ !

1 !

u (s, ! >.-О

u„=I

U2 )

uз (<ã)

Ц! (5})