Корректор управляющего сигнала по току

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к устройствам, формирующим информационный сигнал о величине тока нагрузки, и может использоваться в схемах ШИМ-управления силовым ключом в импульсных преобразователях входного напряжения в постоянное. Достигаемый технический результат - формирование управляющего сигнала в режиме защиты по току для ограничения выходной мощности при одном и том же его значении, не зависящем от величины входного напряжения. Корректор управляющего сигнала обратной связи по току содержит трансформаторный датчик тока, включенный в цепь силового ключа с устройством управления силовым ключом, включающий первичную обмотку, предназначенную для поступления импульсов измеряемого тока, при этом его вторичная обмотка подключена к нагрузке через выпрямитель, зашунтированный резистором, с образованием обратной связи по току. 12 ил.

 

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к устройствам, формирующим информационный сигнал о величине тока нагрузки, в частности, для схемы ШИМ-управления силовым ключом с изолированным затвором в импульсных преобразователях входного напряжения в постоянное.

В большинстве известных случаев защита по току осуществляется с применением обратной связи. Для снятия сигнала обратной связи по току применяется токовый датчик.

Существует большое количество методов измерения тока, но только три из них нашли широкое применение. Это - резистивный метод, трансформаторные датчики и датчики тока на эффекте Холла.

Использование трансформатора тока (ТТ) дает следующие преимущества по сравнению с резистивными датчиками, они работают при значительно меньших падениях напряжения на входе и позволяют осуществлять измерение тока без потерь мощности.

Нагрузкой ТТ обычно является шунтирующий резистор (R_ш), включенный параллельно вторичной обмотке, как, например, в патенте №2301438, МПК G05F 1/571 (2006.01), H02M 3/335 (2006.01), «Вторичный источник питания».

При разработке схем формирования сигнала обратной связи по току к величине сопротивления R_ш предъявляются противоречивые требования.

С одной стороны, уровень сигнала должен обеспечивать достаточное соотношение сигнал/шум, то есть сопротивление R_ш должно быть по возможности большим.

С другой стороны, большое сопротивление R_ш ухудшает АЧХ трансформатора на низких (рабочих) частотах, поскольку вместе с индуктивностью намагничивания L_m оно образует дифференцирующее звено с постоянной времени τ=L_m*R_ш. При этом из-за неравенства вольт-секундных площадей (ВСП) во время прямого и обратного хода ТТ входит в насыщение и искажает информационный сигнал.

Известна схема, в которой нагрузочный резистор подсоединяется через диод, например, как в патенте №1272422, H02M 3/335 «Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения»

Диод можно не ставить в случаях, если скважность измеряемого тока заведомо близка к 0,5 или если скважность измеряемого тока отлична от 0,5, но при этом неизменна и учитывается при дальнейшей обработке сигнала в цепи ШИМ-управления.

Общим недостатком приведенных выше схем включения вторичной обмотки ТТ является то, что переход преобразователя в режим защиты по току при различных входных напряжений будет осуществляться при различной выходной мощности. Связано это с тем, что в зависимости от величины входного напряжения изменяется скважность импульсов измеряемого тока и при использовании в качестве датчика ТТ уровень нуля сигнала на нагрузке ТТ будет «плавать» вследствие сохранения равенства вольт-секундных площадей в положительной и отрицательной секторах (фиг.1).

Исходя из этого при работе преобразователя в определенном диапазоне входных напряжений преобразователь будет переходить в режим ограничения мощности при различных значениях выходного тока в зависимости от величины напряжения на входе.

Цель изобретения - улучшение характеристики обратной связи по току.

Задача, решаемая настоящим изобретением, - коррекция сигнала обратной связи по току от вторичной обмотки ТТ при изменении скважности импульсов измеряемого тока.

Поставленная цель достигается тем, что в схему вторичной обмотки ТТ вносится дополнительный элемент, позволяющий минимизировать зависимость сигнала обратной связи по току от скважности импульсов, поступающих на первичную обмотку ТТ.

Устройство преобразователя включает входную цепь, силовые ключи, токовый датчик, выходную цепь, обратную связь по напряжению и устройство управления силовыми ключами. Датчик тока выполнен в виде ТТ с подключенной к его вторичной обмотке нагрузкой (фиг.2).

Ниже рассмотрены варианты подключения вторичной обмотки ТТ и их влияние на срабатывание защиты по току при разных входных напряжениях:

1 - с включением нагрузки напрямую, фиг.3 (патент №2301438);

2 - с включением нагрузки через диод, фиг.4 (патент №1272422).

Заявителем экспериментально установлено следующее. В импульсных преобразователях с ШИМ-управлением силовым ключом при работе преобразователя в широком диапазоне входных напряжений может происходить ошибочное срабатывание обратной связи по току, связанное с изменением амплитуды сигнала на нагрузке ТТ вследствие изменения скважности импульсов измеряемого тока, которая связана с входным напряжением.

Эксперимент выполнялся следующим образом. В качестве объекта исследования был использован обратноходовый преобразователь с трансформаторным датчиком тока, подключенным к стоку силового ключа.

Входное напряжение варьировалось в пределах от 18 до 36 B. Замер проводился при трех значениях входного напряжения: 18 B, 24 B, 36 B.

Результаты измерений с включением нагрузки ТТ по схемам, указанным на фиг.3 и 4, приведены ниже.

При подключении нагрузки ТТ напрямую (фиг.3) были получены следующие данные, отраженные на графике зависимости выходного напряжения от выходного тока (фиг.5).

При этом сигнал напряжения на нагрузке ТТ при входном напряжении 18 B и номинальной нагрузке имеет следующий вид (фиг.6).

При подключении нагрузки ТТ через диод (фиг.4) были получены следующие данные, отраженные на графике зависимости выходного напряжения от выходного тока (фиг.7).

При этом сигнал напряжения на нагрузке ТТ при входном напряжении 18 В и номинальной нагрузке имеет следующий вид (фиг.8).

Из приведенных графиков (фиг.5 и 7) видно, что начало ограничения выходной мощности при различном входном напряжении в схемах с подключением нагрузки ТТ напрямую и через диод осуществляется при различных значениях выходного тока, что говорит о неточности срабатывания обратной связи по току. Также из приведенных графиков видно, что в случае включения вторичной обмотки ТТ через диод (фиг.4) переход в режим ограничения выходной мощности осуществляется с прямой зависимостью величины выходного тока от величины входного напряжения, а в случае включения по схеме напрямую (фиг.3) данная зависимость обратная. При этом форма сигнала напряжения на нагрузке ТТ, показанная на фиг.6, отличается от сигнала на фиг.8 наличием импульса в отрицательной области. Из полученных данных можно сделать предположение, что для осуществления перехода преобразователя в режим ограничения выходной мощности при одном значении тока вне зависимости от величины входного напряжения необходимо получить усредненный сигнал на нагрузке ТТ (фиг.9-в), т.е. в отличие от сигнала на фиг.8 (фиг.9-а) импульс в отрицательной части должен быть, но он должен быть меньше, чем у сигнала на фиг.6 (фиг.9-б).

Для решения данной проблемы, т.е. чтобы получить необходимую форму импульса на нагрузке ТТ и устранить вероятность ошибочного срабатывания обратной связи по току, в схему цепи нагрузки вторичной обмотки ТТ, приведенной на фиг.4, была внесена следующая коррекция, добавлен резистор, шунтирующий диод (фиг.10).

После проведения эксперимента были получены следующие данные, отраженные на графике зависимости выходного напряжения от выходного тока (фиг.11).

При этом сигнал напряжения на нагрузке ТТ при входном напряжении 18 B и номинальной нагрузке имеет следующий вид (фиг.12).

Опытным путем было установлено, что для достижения данного результата отношение сопротивление резистора Rн к сопротивлению шунтирующего резистора Rш должно быть примерно равным 0,3.

Как видно из графика на фиг.11, при данном способе включения нагрузки вторичной обмотки ТТ переход в режим ограничения выходной мощности осуществляется при одном значении выходного тока независимо от входного напряжения. При этом сигнал на нагрузке ТТ, показанный на фиг.12, имеет форму в соответствии с предположениями, сделанными выше. Следовательно, схема включения нагрузки ТТ, приведенная на фиг.10, наиболее оптимальна с точки зрения срабатывания обратной связи по току вне зависимости от входного напряжения.

Корректор управляющего сигнала обратной связи по току, содержащий трансформаторный датчик тока, подключенный в цепь силового ключа с устройством управления силовым ключом, включающий первичную обмотку, предназначенную для поступления импульсов измеряемого тока, отличающийся тем, что его вторичная обмотка подключена к нагрузке через выпрямитель, зашунтированный резистором, с образованием обратной связи по току.