Способ защиты нагрузки по мощности и стабилизирующего источника вторичного электропитания

 

Использование: в устройствах защиты источников вторичного электропитания. Достигаемый технический результат заключается в повышении надежности защиты от перегрузок по току и питаемой им аппаратуры. Сущность изобретения: способ защиты стабилизирующего источника вторичного электропитания на основе полумостового инвертора с независимым возбуждением, управляемого широтно-импульсным модулятором заключается в формировании сигнала, пропорционального току нагрузки, и сигнала, пропорционального общему потребляемому току источника вторичного электропитания, сравнении этих сигналов с соответствующими заданными значениями, при превышении этими сигналами или одним из них заданных значений одновременно уменьшают длительность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора и их частоту повторения, при этом питание широтно-импульсного модулятора и его элементов управления осуществляют напряжением, равным амплитуде выпрямленного выходного напряжения источника вторичного электропитания, а перевод силовых ключей полумостового инвертора в режим работы с низким коэффициентом заполнения осуществляют в момент их совместного запирания. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, например, оснащенных вентиляторами (низковольтными, бесколлекторными), предназначенными для снятия тепла с силовых элементов трансформатора постоянного напряжения и из питаемой источником вторичного электропитания аппаратуры.

Известен способ защиты стабилизирующего источника вторичного электропитания на основе последовательного регулирующего элемента, управляемого широтно-импульсным модулятором, заключающийся в одновременном формировании двух сигналов, первый из которых получают путем измерения тока в цепи регулирующего элемента, сравнения его со значением, а второй путем измерения выходного напряжения регулирующего элемента и сравнения его с заданным значением, а также заключающийся в ограничении длительности импульсов управляющего сигнала широтно-импульсного модулятора при превышении током в цепи регулирующего элемента заданного значения, в интегрировании одного из указанных сигналов для оценки длительности короткого замыкания и в отключении питания широтно-импульсного модулятора сигналом, полученным в результате указанного интегрирования, причем в качестве указанного интегрируемого сигнала используют первый из указанных сигналов после того, как указанное измеренное выходное напряжение станет меньше заданного значения (1).

Известный способ не позволяет обеспечить требуемую надежность защиты источника электропитания в питаемой им аппаратуре, например, персональных компьютеров, для которых в режиме защиты необходимо значительное снижение выходных напряжений в широком диапазоне нагрузок.

Наиболее близким к изобретению является техническое решение, в котором реализован способ защиты стабилизирующего источника вторичного электропитания на основе полумостового инвертора с независимым возбуждением, управляемого широтно-импульсным модулятором, заключающийся в формировании сигнала, пропорционального току нагрузки, и сигнала, пропорционального общему потребляемому току источника вторичного электропитания, сравнении этих сигналов с соответствующими заданными значениями, при превышении которых формируют сигналы защиты, уменьшающие длительность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора (2).

В известном способе перевод источника в режиме защиты в режим стабилизации по току реализуется только за счет уменьшения длительности импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора. Данное обстоятельство не позволяет обеспечить выполнения требований к источникам вторичного электропитания (ИВЭП), например, персональных компьютеров, для которых в режиме защиты необходимо не только ограничение выходной мощности, но и значительное (до 10 раз) снижение выходных напряжений в широком диапазоне нагрузок.

Кроме того, реальные времена рассасывания при выключении силовых ключей не позволяют получить требуемого снижения коэффициента заполнения без снижения частоты преобразования.

Если предположить, что в известном техническом решении удалось достигнуть требуемого снижения выходных напряжений, то ИВЭП в режиме защиты переходит в режим релаксаций(из-за отсутствия питания с выхода ИВЭП для широтно-импульсного модулятора, а также для его элементов управления), либо необходимо формирование дополнительного питающего напряжения с входа ИВЭП.

Кроме того, поскольку от выходного напряжения питается вентилятор (вентилятор не должен создавать акустических шумов более 38 дБ требование европейских стандартов и поэтому выполняется бесколлекторным и низковольтным), то мощность, рассеиваемая на силовых элементах преобразователя без обдува, должна быть снижена в 100 400 раз. Наличие вентилятора определяется не ИВЭП, а питаемой им аппаратуры, так как КПД ИВЭП равен 70% то выделяемое тепло в ИВЭП составляет 30% а выделяемое тепло в питаемой аппаратуре 70 Габариты ИВЭП не позволяют использовать радиаторы для силовых ключей преобразователя, достаточные для рассеивания тепла за счет конвекции (без обдува).

Достигаемый технический результат заключается в устранении указанного недостатка и выражается в повышении надежности защиты от перегрузок по току и питаемой им аппаратуры.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты нагрузки по мощности и стабилизирующего источника вторичного электропитания на основе полумостового инвертора на силовых ключах с независимым возбуждением, управляемого широтно-импульсным модулятором, заключающемся в формировании сигнала, пропорционального току нагрузки, и сигнала, пропорционального общему потребляемому току источника вторичного электропитания, сравнении этих сигналов с соответствующими заданными значениями и формировании сигналов защиты, уменьшающих длительность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора, при превышении сигналом, пропорциональным току нагрузки, заданного значения и/или при превышении сигналом, пропорциональным общему потребляемому току источника вторичного электропитания, заданного значения одновременно уменьшают длительность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора за счет увеличения порогового напряжения на модулирующем входе широтно-импульсного модулятора и уменьшают частоту повторения выходных импульсов широтно-импульсного модулятора путем уменьшения крутизны пилообразного напряжения в период между импульсами, формируемыми широтно-импульсным модулятором, питание которого, а также его элементов управления осуществляют напряжением, равным амплитуде выпрямленного выходного напряжения источника вторичного электропитания, при этом перевод силовых ключей полумостового инвертора в режим работы с низким коэффициентом заполнения осуществляют в момент их совместного запирания.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства защиты стабилизирующего источника вторичного электропитания, реализующего способ; на фиг. 2 и 3 эпюры входных и выходных сигналов широтно-импульсного модулятора соответственно в рабочем режиме и в режиме защиты; на фиг. 4 и 5 эпюры выходных напряжений ИВЭП и напряжения питания широтно-импульсного модулятора, а также его элементов управления соответственно в рабочем режиме и в режиме защиты.

Устройство защиты стабилизирующего источника вторичного электропитания, реализующее способ, содержит преобразователь 1 напряжения, к первичной обмотке управляющего трансформатора 2 которого подключены последовательно соединенные ключи 3 и 4, управляющие входы ключей 3 и 4 подключены к выходу широтно-импульсного модулятора 5, на один из входов которого подают через диод 23 модулирующий сигнал, полученный путем сравнения выходного напряжения ИВЭП с опорным, а другой вход соединен с выходом генератора 6 пилообразного напряжения. В выходную цепь преобразователя (цепь нагрузки) включен датчик 7 тока. Амплитудный детектор 8 подключен к средней точке управляющего трансформатора 2, схемы 9 и 10 сравнения соединены соответственно с выходом амплитудного детектора 8 и датчика 7 тока, вторые входы схем сравнения соединены с источником опорного напряжения. Выходы схем сравнения соединены с управляющими входами ключей 11 и 12. Управляющий вход ключа 13 подключен к общей точке соединения ключей 3 и 4. Источник опорного напряжения соединен с входом модулирующего сигнала широтно-импульсного модулятора 5 через последовательно соединенные резистор 14 и диод 15, между общим выводом которых и общей шиной включен ключ 11. Источник постоянного напряжения U_n соединен с управляющим входом ключа 13 через резистор 16 и ключ 12. Ключ 13 подсоединен параллельно резистору 17 формирующей RC-цепи генератора 6 пилообразного напряжения, в состав которой входят резистор 18 и конденсатор 19. Напряжение питания U_n для широтно-импульсного модулятора и его цепей управления, а также опорное напряжение формируется с помощью подключенной к одной из вторичных обмоток силового трансформатора цепи из последовательно соединенных выпрямителя 20, емкостного фильтра 21 и непрерывного стабилизатора 22 напряжения.

Входное постоянное напряжение U поступает на преобразователь 1 и преобразуется в модулируемые по длительности импульсы, которые с выходных обмоток силового трансформатора, обеспечивающего гальваническую развязку цепей нагрузки от входного напряжения поступают через соответствующие выпрямители на усредняющие Г-образные индуктивно-емкостные фильтры (перечисленные элементы без цифровых обозначений для упрощения на чертеже не показаны).

Рассмотрим работу ИВЭП в двух режимах: рабочем режиме и режиме защиты (при наличии токовой перегрузки).

Информация об общем потребляемом токе ИВЭП содержится в амплитуде импульсов напряжения управляющего трансформатора 2, сигнал с которого с помощью амплитудного детектора 8 преобразуется в постоянное напряжение, которое сравнивается с опорным U_оп. В рабочем режиме величина модулирующего сигнала определяется величиной выходного напряжения (напряжения на нагрузке).

Выходное напряжение и выходная мощность ИВЭП могут быть записаны где E постоянное напряжение на входе; N коэффициент трансформации; δ коэффициент заполнения; U_i выходное напряжение i-го канала ИВЭП на выходе индуктивно - емкостного фильтра; P мощность на выходе i-го канала ИВЭП.

Эпюры напряжений на входе и выходе широтно-импульсного модулятора 5 в рабочем режиме приведены на фиг. 2, а на фиг. 4 приведены эпюры выходного напряжения ИВЭП и напряжения на выходе емкостного фильтра 21 также в рабочем режиме.

При токовой перегрузке в выходных каналах (со значительным выходным сопротивлением) сигнал с датчика 7 превышает величину заданного значения U_оп и выходной сигнал схемы 10 сравнения приводит к срабатыванию ключей 11 и 12, при котором ключ 11 размыкается, обеспечивая тем самым подачу опорного напряжения (U_оп) через резистор 14 и диод 15 на вход модулирующего сигнала широтно-импульсного модулятора 5, уменьшая при этом длительность выходного импульса, а ключ 12, замыкаясь, подает через резистор 16 напряжение U_n на управляющий вход ключа 13, которое приводит к размыканию этого ключа и тем самым к увеличению постоянной времени формирующей RC-цепи генератора 6 пилообразного напряжения, и следовательно, к уменьшению крутизны пилообразного напряжения и уменьшению частоты повторения выходных импульсов широтно-импульсного модулятора. Эпюры напряжений на входе и выходе широтно-импульсного модулятора 5 в режиме защиты приведены на фиг. 3.

При превышении сигналом (с выхода амплитудного детектора 8), пропорциональным общему потребляемому току ИВЭП, заданного значения на выходе схемы 9 сравнения формируется сигнал, который приводит к описанному выше срабатыванию ключей 11, 12 и 13 (такому же, как при наличии сигнала на выходе схемы 10 сравнения). Это также приводит к уменьшению длительности выходного импульса широтно-импульсного модулятора и уменьшению частоты его повторения.

Следует отметить, что крутизна пилообразного напряжения уменьшается только в период между импульсами, формируемыми широтно-импульсным модулятором, поскольку во время действия импульсов сигнал с объединенного вывода ключей 3 и 4 поступает на ключ 13, при этом ключ 13 шунтирует резистор 17, тем самым восстанавливая постоянную времени формирующей RC-цепи генератора 6 пилообразного напряжения и, следовательно, восстанавливается крутизна пилообразного напряжения (фиг. 3).

Что касается напряжения U_n, питающего широтно-импульсный модулятор 5 и его элементы управления, то оно практически не изменяется, предотвращая тем самым режим релаксаций.

Так как постоянная времени разряда емкостного фильтра 21 выбрана значительно большей, чем период повторения импульсов в режиме защиты, то среднее напряжение U_n равно амплитудному напряжению на выходе выпрямителя U_в (фиг. 4, 5) и остается одинаковым как в рабочем режиме, так и в режиме защиты, обеспечивая тем самым питание всей схемы управления в номинальном режиме, хотя на выходах ИВЭП напряжения уменьшены до требуемых.

Например, для ИВЭП персонального компьютера необходимо уменьшить выходные напряжения в 10.20 раз, а мощность в 100.400 раз. Это достигается уменьшением крутизны ГПН (и, соответственно, частоты) только в момент паузы в 10. 20 раз, так как в момент включения транзисторов крутизна ГПН прежняя (рабочий режим, соответствующий рабочей частоте).

Следует отметить, что при осуществлении способа может быть использован преобразователь напряжения, реализованный на основе полумостового инвертора с независимым возбуждением, описанного, например, в источнике информации (3) на с. 87, к выходным обмоткам силового трансформатора которого подключаются последовательно соединенные выпрямитель и усредняющий Г-образный индуктивно-емкостной фильтр. Указанные элементы широко используются в ИВЭП.

Формула изобретения

Способ защиты нагрузки по мощности и стабилизирующего источника вторичного электропитания на основе полумостового инвертора на силовых ключах с независимым возбуждением, управляемого широтно-импульсным модулятором, заключающийся в формировании сигнала, пропорционального току нагрузки, и сигнала, пропорционального общему потребляемому току источника вторичного электропитания, сравнении этих сигналов с соответствующими заданными значениями, при превышении которых формируют сигналы защиты, уменьшающие длительность выходных импульсов широтно-импульсного модулятора, отличающийся тем, что при превышении сигналом, пропорциональным току нагрузки, заданного значения и/или при превышении сигналом, пропорциональным общему потребляемому току источника вторичного электропитания, заданного значения одновременно с уменьшением длительности выходных импульсов широтно-импульсного модулятора за счет увеличения порогового напряжения на модулирующем входе широтно-импульсного модулятора уменьшают частоту повторения выходных импульсов широтно-импульсного модулятора путем уменьшения крутизны пилообразного напряжения в период между импульсами, формируемыми широтно-импульсным модулятором, питание которого, а также его элементов управления осуществляют напряжением, равным амплитуде выпрямленного выходного напряжения источника вторичного электропитания, при этом перевод силовых ключей полумостового инвертора в режим работы с низким коэффициентом заполнения осуществляют в момент их совместного запирания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5