Каскад преобразователя мощности, контроллер и способ подачи мощности на контроллер
Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для обеспечения подачи питания в преобразователь мощности. Технический результат состоит в сокращении энергопотребления. Для этого во всех режимах работы преобразователя мощности при одновременном предотвращении дополнительных расходов, связанных с обеспечением отдельного управляющего электропитания, поступающего от напряжения шины, предлагается, чтобы энергия, накопленная в средствах накопления энергии, входящих в состав каскада преобразователя мощности или, в более общем смысле, преобразователя мощности, использовалась для подачи на контроллер, даже если преобразователь мощности находится в дежурном режиме, поскольку передача энергии между такими средствами накопления энергии через первичную индуктивность может использоваться также для передачи во вторичную индуктивность, которая затем подается на контроллер. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к реализации вспомогательного источника питания, который запитывает схему управления преобразователя мощности во время нормального и дежурного режимов работы преобразователя мощности. В частности, настоящее изобретение относится к каскаду преобразователя мощности для обеспечения подачи питания в контроллер преобразователя мощности, к контроллеру преобразователя мощности для упомянутого каскада преобразователя мощности, к преобразователю мощности, содержащему упомянутый каскад преобразователя мощности и упомянутый контроллер преобразователя мощности, к способу подачи питания в контроллер преобразователя мощности и к программному продукту для управления преобразователем мощности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В ЕР 2506420 А2 описывается устройство преобразования мощности, причем развязанное устройство преобразования мощности содержит развязывающий трансформатор, последовательную цепь, содержащую нагрузку и индуктивность, последовательно соединенные друг с другом, причем последовательная цепь расположена на вторичной стороне развязывающего трансформатора, и одно или множество переключающих средств, расположенных между последовательной цепью и вторичной стороной развязывающего трансформатора, причем переключающее средство является двунаправленным. Такое устройство отправляет энергию из источника питания постоянного тока (DC) первичной стороны развязывающего трансформатора в нагрузку в качестве электропитания DC или переменного тока (АС) произвольной полярности или повторно генерирует и подает электропитание DC или электропитание АС из нагрузки в источник питания DC.
В US 2007/0115695 A1 описывается источник питания с низкими безнагрузочными потерями. Источник питания содержит главный преобразователь мощности и вспомогательный преобразователь мощности. Главный преобразователь мощности содержит сглаживающий конденсатор. Главный преобразователь мощности подключен параллельно вспомогательному преобразователю мощности. Когда источник питания находится в дежурном режиме, главный преобразователь мощности выключен, а вспомогательный преобразователь мощности выдает мощность в выходную нагрузку и сглаживающий конденсатор. Кроме того, когда источник питания находится в нормальном режиме, главный преобразователь и вспомогательный преобразователь совместно выдают мощность в выходную нагрузку. В нормальном режиме главный преобразователь выдает большую часть энергии, а вспомогательный преобразователь работает при ограниченном мощностью конечном значении таким образом, что топология источника питания достигает низких безнагрузочных потерь.
Всем традиционным преобразователям мощности требуется вспомогательный источник питания для запитывания схемы управления преобразователя мощности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является подача вспомогательного электропитания для схемы управления преобразователя мощности во всех режимах работы преобразователя мощности при одновременном предотвращении дополнительных расходов, связанных с обеспечением отдельного управляющего электропитания, поступающего от напряжения шины.
В первом аспекте настоящего изобретения предлагается каскад преобразователя мощности для подачи питания на контроллер преобразователя мощности, включающий в себя первое средство накопления энергии на стороне входа каскада преобразователя мощности, второе средство накопления энергии на стороне выхода каскада преобразователя мощности, схему преобразования мощности, содержащую первичную индуктивность, и вторичную индуктивность, индуктивно связанную с первичной индуктивностью, для подачи питания на контроллер преобразователя мощности, причем схема выполнена с возможностью - в дежурном режиме преобразователя мощности - передачи энергии через первичную индуктивность от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии и от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается контроллер для упомянутого каскада преобразователя мощности, причем контроллер выполнен с возможностью управления - в дежурном режиме преобразователя мощности - схемой для последовательной передачи энергии через первичную индуктивность от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии и от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается преобразователь мощности, содержащий упомянутый каскад преобразователя мощности и упомянутый контроллер.
Было установлено, что энергия, накопленная в средстве накопления энергии, входящем в состав каскада преобразователя мощности или, в более общем смысле, преобразователя мощности, может использоваться для подачи на контроллер, даже если преобразователь мощности находится в дежурном режиме, поскольку передача энергии между такими средствами накопления энергии через первичную индуктивность предусматривает также передачу во вторичную индуктивность, которая затем подается на контроллер. Однако внутренняя передача энергии не затрагивает текущего состояния дежурного режима.
Было также обнаружено, что настоящее изобретение также соответствует задаче достижения высокой эффективности системы в дежурном режиме. Анализ показал, что безнагрузочные потери преобразователя в соответствии с настоящим изобретением не выше, чем потери в других известных решениях.
Если каскад преобразователя мощности соединен с соответствующим управляющим устройством (подобным вышеупомянутому контроллеру) или снабжен им, в каскаде преобразователя мощности предусмотрено управление для передачи энергии через первичную индуктивность от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии и от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии.
В предпочтительном варианте осуществления каскада преобразователя мощности первое и/или второе средство накопления энергии представляет собой конденсатор.
Уже традиционные преобразователи мощности или каскады преобразователей мощности снабжены конденсаторами, в частности, фильтрующими конденсаторами и конденсаторами шины, которые могут также использоваться в качестве средств накопления энергии.
В предпочтительном варианте осуществления каскада преобразователя мощности схема дополнительно содержит первый и второй переключатели, причем компоновка первичной индуктивности, первого переключателя и второго переключателя соответствует синхронному повышающему преобразователю, причем предпочтительно, по меньшей мере, один из первого и второго переключателей представляет собой силовой MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник), т.е. предпочтительно либо первый переключатель представляет собой силовой MOSFET, либо второй переключатель представляет собой силовой MOSFET, либо оба переключателя представляют собой силовые MOSFET.
Конструкция синхронного повышающего преобразователя, который может экономически эффективно проектироваться на базе переключателей, основанных на силовых MOSFET, предусматривает переключение между повышающим преобразованием в одном направлении и понижающим преобразованием в обратных направлениях всего лишь путем управления переключателями.
Еще в одном варианте осуществления каскада преобразователя мощности схема содержит третий и четвертый переключатели и первый и второй диоды, причем, третий переключатель и первый диод установлены вместе с первичной индуктивностью с образованием повышающего преобразователя для передачи энергии от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии, и, причем, четвертый переключатель и второй диод установлены вместе с первичной индуктивностью с образованием понижающего преобразователя для передачи энергии от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии.
Если конструктивные или иные ограничения не позволяют создавать компоновку, подобную вышеописанному синхронному повышающему преобразователю, может, тем не менее, оказаться возможным создание компоновки повышающего преобразователя и компоновки понижающего преобразователя с противоположными направлениями параллельно.
В модификации предыдущего варианта осуществления каскада преобразователя мощности первичная индуктивность содержит первый индуктивный элемент и вторичный индуктивный элемент, причем первый индуктивный элемент входит в состав повышающего преобразователя, а вторичный индуктивный элемент входит в состав понижающего преобразователя.
Даже в том случае, когда общее использование первичной индуктивности и понижающим преобразователем, и повышающим преобразователем является предпочтительным, можно также предусматривать два индуктивных элемента, которые образуют первичную индуктивность.
В предпочтительном варианте осуществления контроллера преобразователя мощности, в частности, предусматриваемого для каскада преобразователя мощности, содержащего схему, включающую в себя первый и второй переключатели, причем компоновка первичной индуктивности, первого переключателя и второго переключателя соответствует синхронному повышающему преобразователю, контроллер выполнен с возможностью управления схемой в режиме повышения напряжения для передачи энергии от первого средства накопления энергии через первичную индуктивность на второе средство накопления энергии и управления схемой в режиме понижения напряжения для передачи энергии от второго средства накопления энергии через первичную индуктивность на первое средство накопления энергии.
Как указано выше, в настоящем изобретении может предпочтительно использоваться синхронный повышающий преобразователь, причем режим повышения напряжения и режим понижения напряжения могут переключаться всего лишь путем управления переключателями, входящими в состав каскада преобразователя мощности.
В предпочтительном варианте осуществления контроллера преобразователя мощности контроллер выполнен с возможностью прекращения передачи энергии от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии в тех случаях, когда энергия, остающаяся в первом средстве накопления энергии, достигает предварительно заданного первого минимального значения.
Предпочтительно поддерживать мощность в первом средстве накопления энергии выше определенного порога; в частности, желательно поддерживать напряжение на конденсаторе, образующем первое средство накопления энергии, выше пикового значения (выпрямленного) сетевого напряжения, чтобы избежать неконтролируемого потребления энергии из электрической сети.
В модификации предыдущего варианта осуществления контроллера преобразователя мощности первое средство накопления энергии представляет собой конденсатор, соединенный с источником питания, и при предварительно заданном первом минимальном значении напряжение на первом средстве накопления энергии выше пикового значения источника питания.
В предпочтительном варианте осуществления контроллера преобразователя мощности контроллер выполнен с возможностью прекращения передачи энергии от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии в тех случаях, когда энергия, накопленная в первом средстве накопления энергии, достигает предварительно заданного первого максимального значения, и/или когда разность между напряжением, накопленным в первом средстве накопления энергии, и напряжением, накопленным во втором средстве накопления энергии, достигает предварительно заданного второго минимального значения.
Такой процесс поддерживает мощность, накопленную в первом средстве накопления энергии, ниже значения, которое могло бы угрожать безопасности первого средства накопления энергии, при одновременном предотвращении слишком высокой скорости изменения между направлениями передачи энергии.
В предпочтительном варианте осуществления контроллера преобразователя мощности контроллер выполнен с возможностью управления схемой приема энергии от источника питания, соединенного с первым средством накопления энергии, если напряжение, накопленное во втором средстве накопления энергии, достигает предварительно заданного третьего минимального значения.
При необходимости энергия, накопленная в средствах накопления энергии, в частности, во втором средстве накопления энергии, может быть дополнена из электрической сети. В любом случае энергия предпочтительно лишь потребляется из электрической сети в тех случаях, когда энергосодержание во втором средстве накопления энергии упало ниже упомянутого минимального значения, причем передача энергии из электрической сети во второе средство накопления энергии вновь прекращается, как только достигнут максимальный уровень мощности, причем максимальный уровень мощности определяется для предотвращения повреждения компонентов.
В предпочтительном варианте осуществления контроллера преобразователя мощности контроллер выполнен с возможностью прекращения какой-либо передачи энергии между первым и вторым средствами накопления энергии, как только напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, достигает предварительно заданного второго максимального значения, и возобновления передачи энергии между первым и вторым средствами накопления энергии, как только напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, падает до предварительно заданного четвертого минимального значения.
Такая операция поддерживает напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, в требуемом диапазоне, причем, помимо всего прочего, требуемый диапазон влияет на меру, до которой прекращается передача энергии, что, в свою очередь, соответствует величине возможных потерь.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ подачи энергии в контроллер преобразователя мощности, включающий в себя этапы создания каскада преобразователя мощности в соответствии с настоящим изобретением, а в дежурном режиме преобразователя мощности - последовательной передачи энергии через первичную индуктивность от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии и от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предлагается программный продукт для управления преобразователем мощности, причем программный продукт включает в себя средства программного кода для обеспечения последовательной передачи энергии через первичную индуктивность от первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии и от второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии, которая выполняется при запуске программного продукта на контроллере в соответствии с настоящим изобретением в преобразователе мощности в соответствии с настоящим изобретением.
Следует понимать, что каскад преобразователя мощности по п. 1, контроллер по п. 6, преобразователь мощности по п. 13, способ подачи энергии в контроллер преобразователя мощности по п. 14 и программный продукт по п. 15 имеют аналогичные и/или одинаковые предпочтительные варианты осуществления, в частности, как определено в зависимых пунктах.
Эти и другие аспекты изобретения будут понятны из описываемых ниже вариантов осуществления и объяснены применительно к ним.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На нижеследующих чертежах:
на фиг. 1 изображен вариант осуществления преобразователя мощности в соответствии с настоящим изобретением,
на фиг. 2 изображены подробности варианта осуществления каскада преобразователя мощности для преобразователя мощности, изображенного на фиг. 1,
на фиг. 3 изображена структурная схема, иллюстрирующая работу каскада преобразователя мощности, и
на фиг. 4 и 5 изображены временные диаграммы моделирования в соответствии с вариантом осуществления процесса управления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 изображен один из вариантов осуществления преобразователя 1 мощности в соответствии с настоящим изобретением.
Преобразователь 1 мощности содержит мостовой выпрямитель 10, подключенный к входу (не показан) электрической сети и к фильтрующему конденсатору 4 (первому средству накопления энергии). Фильтрующий конденсатор 4 также соединен с каскадом 2 преобразователя мощности, который содержит первичную обмотку 6 (первичную индуктивность). Первичная обмотка 6 индуктивно связана с вторичной или вспомогательной обмоткой 7 (вторичной индуктивностью), которая выполнена с возможностью подачи питания на контроллер 3 преобразователя 1 мощности. В изображенном варианте осуществления каскад 2 преобразователя мощности является первым каскадом преобразователя 1 мощности и, следовательно, соединяется с конденсатором 5 шины (вторым средством накопления энергии), который соединяется со вторым или выходным каскадом 11 преобразователя 1 мощности. Выходной каскад выполнен с возможностью подачи питания в нагрузку (не показана).
Описанная выше компоновка в основном соответствует конструкции традиционного преобразователя мощности со встроенным вспомогательным источником питания, рассматриваемым в начале данного описания.
Однако внутренняя компоновка каскада 2 преобразователя мощности и контроллера 3 и работа в дежурном режиме преобразователя 1 мощности отличаются от традиционного случая.
На фиг. 2 изображены подробности варианта осуществления каскада 2 преобразователя мощности для преобразователя 1 мощности, изображенного на фиг. 1.
Каскад 2 преобразователя мощности соединен с фильтрующим конденсатором 4, выполняющим функцию первого средства накопления энергии, и конденсатором 5 шины, выполняющим функцию второго средства накопления энергии. Каскад 2 преобразователя мощности содержит первичную обмотку 6 (индуктивно связанную с вспомогательной обмоткой 7), первый силовой MOSFET 8 (первый переключатель) и второй силовой MOSFET 9 (второй переключатель). Первичная обмотка 6 и второй переключатель 9 предусмотрены в линии между соединениями с фильтрующим конденсатором 4 и конденсатором 5 шины (которые соединены с заземлением), а первый переключатель 8 соединяет точку между первичной обмоткой 6 и вторым переключателем 9 также с заземлением. Схема подобного рода называется синхронным повышающим преобразователем.
Альтернативный вариант осуществления (не показан) изобретения содержит узел повышающего преобразователя и узел понижающего преобразователя, предусмотренные параллельно, причем первое средство накопления энергии установлено в качестве источника для повышающего преобразователя и нагрузки для понижающего преобразователя, а второе средство накопления энергии установлено в качестве нагрузки для повышающего преобразователя и источника для понижающего преобразователя. Повышающий преобразователь и понижающий преобразователь могут быть выполнены в виде отдельных элементов, причем рассматривается также возможность совместного использования общей индуктивности повышающим преобразователем и понижающим преобразователем.
Однако в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, переключатель и диод повышающего преобразователя или понижающего преобразователя выполнены в виде переключателей 8 и 9 (силовых MOSFET), поэтому схема может выполнять функцию как повышающего преобразователя, так и понижающего преобразователя (даже для различных направлений потока энергии).
В нормальном режиме работы (соответствующем работе традиционного преобразователя мощности со встроенным вспомогательным питанием) каскад 2 преобразователя мощности задействован в режиме повышения напряжения, при этом энергия, требуемая нагрузкой (не показана, через второй каскад 11), подается на конденсатор 5 шины. В то же время через вспомогательную обмотку 7 энергия подается на контроллер 3.
В дежурном режиме энергия с конденсатора 5 шины используется для питания контроллера 3 (т.е. для подачи вспомогательного электропитания). Энергия передается от конденсатора 5 шины на фильтрующий конденсатор 4 и назад, обеспечивая возможность подачи энергии на вспомогательную обмотку 7.
Далее описывается алгоритм управления каскадом 2 преобразователя мощности.
В дежурном режиме понижения напряжения каскад 2 преобразователя мощности работает как повышающий преобразователь и передает энергию от конденсатора 5 шины на фильтрующий конденсатор 4. В этом режиме задействован только второй переключатель 9. Напряжение на фильтрующем конденсаторе 4 увеличивается. Чтобы предотвратить потребление мощности из электрической сети, минимальное значение этого напряжения на фильтрующем конденсаторе 4 должно быть выше, чем максимум выпрямленного сетевого напряжения (через мостовой выпрямитель 10 кроме случаев, когда используется какое-либо иное средство для отделения фильтрующего конденсатора 4 от электрической сети). В дежурном режиме каскад 2 преобразователя мощности задействован в режиме понижения напряжения до тех пор, пока разность между напряжением шины (напряжением на конденсаторе 5 шины) и напряжением на фильтрующем конденсаторе 4 не достигнет заданного значения (предварительно заданного второго минимального значения). В качестве альтернативы или дополнения работа в режиме понижения напряжения может быть прекращена, как только напряжение на фильтрующем конденсаторе достигнет заданного значения (предварительно заданного первого максимального значения) независимо от разности относительно напряжения на конденсаторе 5 шины.
Когда напряжение на фильтрующем конденсаторе 4 достигнет своего максимального значения (т.е. либо исходя из разности относительно напряжения на конденсаторе шины, либо в абсолютном выражении), каскад 2 преобразователя мощности задействован в (дежурном) режиме повышения напряжения, при этом энергия передается назад от фильтрующего конденсатора 4 к конденсатору 5 шины. В этом режиме задействован только первый переключатель 8. Каскад 2 преобразователя мощности работает в режиме повышения напряжения до тех пор, пока напряжение на фильтрующем конденсаторе не достигнет минимального значения (предварительно заданного первого минимального значения). Это минимальное значение, как указано выше, должно быть несколько выше, чем максимальное значение выпрямленного сетевого напряжения, если должна быть предотвращена передача энергии из электрической сети в преобразователь.
В том случае, если напряжение на конденсаторе 5 шины становится слишком низким (т.е. достигает предварительно заданного третьего минимального значения), каскад 2 преобразователя мощности задействован в режиме повышения напряжения (соответствующем нормальному режиму за исключением второго каскада 11, остающегося в дежурном режиме), поэтому энергия подается из электрической сети в конденсатор 5 шины. Данный режим действует до тех пор, пока значение напряжения шины не достигнет своего номинального значения. После этого каскад преобразователя мощности вновь задействован в режиме понижения напряжения и повышения напряжения (при условии, что дежурный режим до сих пор применим).
Помимо вышеописанного алгоритма управления предусмотрен еще один контур управления. Гистерезисный контур управления проверяет значение вспомогательного питающего напряжения. Если оно достигает заданного максимального значения (предварительно заданного второго максимального значения), каскад 2 преобразователя мощности останавливается, т.е. переводится в режим ожидания. Когда значение напряжения падает до своего минимального уровня (предварительно заданного четвертого минимального значения), работа каскада преобразователя мощности восстанавливается до состояния, в котором он был до перехода в режим ожидания.
На фиг. 3 изображена структурная схема, иллюстрирующая работу 100 каскада 2 преобразователя мощности.
После перехода в дежурный режим (этап 101) процесс переходит в дежурный режим 102 понижения напряжения (см. выше), за которым следуют дежурный режим 103 повышения напряжения (см. выше) и нормальный режим 104 повышения напряжения (см. выше).
В дежурном режиме 102 понижения напряжения контролируется (этап 105) нахождение каскада преобразователя мощности в дежурном режиме понижения напряжения с передачей мощности со второго средства накопления энергии на первое средство накопления энергии, благодаря чему энергия подается на контроллер через вторичную индуктивность. Напряжение на первом средстве накопления энергии проверяется (этап 106) по отношению к предварительно заданному первому максимальному значению, и если напряжение является слишком высоким, процесс переходит в дежурный режим 103 повышения напряжения. Если напряжение на первом средстве накопления энергии не является слишком высоким, проверяется (этап 107) напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, по отношению к предварительно заданному второму максимальному значению. Если напряжение не является слишком высоким, процесс возвращается к проверке 106. Если напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, достигает предварительно заданного второго максимального значения или превышает его, передача энергии от второго средства накопления энергии к первому средству накопления энергии прекращается (этап 108), и этот этап поддерживается до тех пор, пока проверка (этап 109) не определит, что напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, является слишком низким (т.е. падает до предварительно заданного четвертого минимального значения или ниже его). В таком случае вновь контролируется (этап 105) нахождение каскада преобразователя мощности в режиме понижения напряжения.
После перехода в дежурный режим 103 повышения напряжения контролируется (этап 110) нахождение каскада преобразователя мощности в режиме повышения напряжения с передачей энергии с первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии, благодаря чему энергия подается на контроллер через вторичную индуктивность. Напряжение на первом средстве накопления энергии проверяется (этап 111) по отношению к предварительно заданному первому минимальному значению, и если напряжение является слишком низким, процесс переходит в нормальный режим 104 повышения напряжения. Если напряжение на первом средстве накопления энергии не является слишком низким, проверяется (этап 112) напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, по отношению к предварительно заданному второму максимальному значению. Если напряжение не является слишком высоким, процесс возвращается к проверке 111. Если напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, достигает предварительно заданного второго максимального значения или превышает его, передача мощности с первого средства накопления энергии на второе средство накопления энергии прекращается (этап 113), и этот этап поддерживается до тех пор, пока проверка (этап 114) не определит, что напряжение, создаваемое вторичной индуктивностью, является слишком низким (т.е. падает до предварительно заданного четвертого минимального значения или ниже его). В таком случае вновь контролируется (этап 110) нахождение каскада преобразователя мощности в режиме повышения напряжения.
После перехода в нормальный режим 104 повышения напряжения проверяется (этап 115) напряжение на втором средстве накопления энергии по отношению к предварительно заданному третьему минимальному значению. Если напряжение не является слишком низким, процесс переходит к дежурному режиму 102 понижения напряжения. Если напряжение является слишком низким, контролируется (этап 116) нахождение каскада преобразователя мощности в нормальном режиме повышения напряжения (соответствующем нормальной работе, т.е. недежурному режиму), который поддерживается до тех пор, пока напряжение на втором средстве накопления энергии не будет считаться достаточно высоким (проверка на этапе 117).
Управление, изображенное на фиг. 3, предусматривает, что контроллер 3 заботится о том, чтобы напряжения и на фильтрующем конденсаторе 4 (первом средстве накопления энергии) и на конденсаторе 5 шины (втором средстве накопления энергии) оставались в требуемом диапазоне, и в то же время следит за тем, чтобы подаваемое на контроллер питание оставалось в предварительно заданном диапазоне.
На фиг. 4 и 5 изображены временные диаграммы моделирования в соответствии с вариантом осуществления процесса управления настоящего изобретения.
На верхней временной диаграмме на фиг. 4а показано, что напряжение 200 вспомогательного источника питания изменяется между двумя порогами, в данном случае, как правило, 4,2 В и 4,8 В. Всякий раз, когда оно достигает верхнего порога, каскад преобразователя мощности переводится в состояние удержания (см. периоды 201 и этапы 108 или 113 на фиг. 3). Когда оно падает до нижнего порога, процесс восстанавливается (см. фиг. 4b).
После того как напряжение Vfilter на фильтрующем конденсаторе достигает верхнего порога (см. фиг. 4с), каскад преобразователя мощности переводится в дежурный режим повышения напряжения (см. периоды 202). После того как это напряжение Vfilter достигает нижнего порога, каскад преобразователя мощности приводится в действие в режиме понижения напряжения (см. периоды 203). Величина напряжения Vbus шины (т.е. напряжения на конденсаторе шины) постепенно падает с течением времени по мере использования энергии для питания вспомогательной схемы контроллера.
На фиг. 5 показаны результаты того же моделирования, что и моделирование на фиг. 4, только в течение более длительного периода времени. На фиг. 5 показано, что каскад преобразователя мощности работает в дежурном режиме понижения напряжения и повышения напряжения (см. периоды 204) до тех пор, пока напряжение шины не достигнет своего нижнего порога (0-12 мс). С этого момента времени каскад преобразователя мощности работает в нормальном режиме повышения напряжения (см. периоды 205), заряжая конденсатор шины от электрической сети (12-16 мс). После этого он возвращается в режим понижения напряжения и повышения напряжения (см. периоды 204). В любом режиме работы энергия передается во вспомогательный источник питания.
Благодаря применению настоящего изобретения каскад преобразователя мощности (в частности, входной каскад усиления) может работать в дежурном режиме, не вызывая перенапряжения на конденсаторе шины, входящем в состав преобразователя мощности. В каждом из режимов работы энергия передается в схему управления через вспомогательную обмотку.
Хотя каскад преобразователя мощности работает в дежурном режиме, предполагается, что потери будут очень низкими, в частности, благодаря процессу быстрого увеличения сигнала каскада преобразователя мощности. Система в целом без труда может быть выполнена таким образом, что каскад преобразователя мощности большую часть времени работает в режиме удержания.
В соответствии с одной реализацией настоящего изобретения вспомогательный источник питания включен в состав одного из каскадов преобразователя мощности, причем по сравнению с традиционным встроенным вспомогательным источником питания в этом каскаде преобразователя мощности предусмотрены технические изменения, которые позволяют также использовать встроенный вспомогательный источник питания в дежурном режиме работы преобразователя мощности без риска перенапряжения на буферных конденсаторах и включения нагрузки (например, светодиода в сфере применения освещения). Вспомогательная обмотка встроена в индуктивность одного или более каскадов усиления преобразователя. Вместо пассивных полупроводников соответствующий каскад усиления содержит активные полупроводники. Например, если рассматривать повышающий преобразователь (используемый во входном каскаде PFC), вместо переключателя и диода используются два полупроводниковых переключателя (например, MOSFET), что дает в результате так называемый синхронный повышающий преобразователь. Контроллер преобразователя способен возбуждать каскад усиления таким образом, что мощность может передаваться в обоих направлениях. В примере каскада PFC контроллер способен задействовать PFC и в режиме повышения напряжения, и в режиме понижения напряжения. При задействовании в режиме повышения напряжения энергия передается на конденсатор шины, предусмотренный между первым и вторым каскадами преобразователя мощности, а при задействовании в режиме понижения напряжения энергия передается назад на фильтрующий конденсатор, предусмотренный между мостиковым выпрямителем (подключенным к электрической сети) и первым каскадом. Поскольку вспомогательный источник питания включен в состав входного каскада усиления, напряжение на конденсаторе, установленном между диодным мостом и входным каскадом усиления (т.е. фильтрующем конденсаторе) поддерживается более высоким, чем пиковое значение выпрямленного сетевого напряжения, чтобы обеспечивать отсутствие передачи мощности из электрической сети в дежурном режиме преобразователя.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множества.
Указание о том, что некоторое значение находится между нижним пределом и верхним пределом включительно следует понимать таким образом, что это значение может иметь любую величину внутри заданного диапазона, включая величины нижнего предела и верхнего предела.
Отдельный блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, излагаемых в формуле изобретения. Сам по себе тот факт, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой.
Такие операции, как обнаружение, измерение, переключение и управление могут быть реализованы в виде средства программного кода компьютерной программы (или программного продукта) и/или в виде специализированных аппаратных средств.
Программный продукт или компьютерная программа может храниться/распространяться на применимом носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель информации, поставляемый вместе с иными аппаратными средствами или в их составе, например, с помощью Интернета или иных проводных или беспроводных систем дистанционной передачи данных.
1. Каскад (2) преобразователя мощности для подачи питания на контроллер (3) преобразователя мощности, включающий в себя:
- первое средство (4) накопления энергии на стороне входа каскада (2) преобразователя мощности,
- второе средство (5) накопления энергии на стороне выхода каскада (2) преобразователя мощности,
- схему для преобразования мощности, содержащую первичную индуктивность (6), и
- вторичную индуктивность (7), индуктивно связанную с первичной индуктивностью, для подачи питания на контроллер (3) преобразователя мощности,
причем схема выполнена с возможностью - в дежурном режиме преобразователя (1) мощности - последовательной передачи энергии через первичную индуктивность (6) от первого средства (4) накопления энергии на второе средство (5) накопления энергии и от второго средства (5) накопления энергии на первое средство (4) накопления энергии.
2. Каскад (2) преобразователя мощности по п. 1,
в котором первое и/или второе средство (4, 5) накопления энергии представляет собой конденсатор.
3. Каскад (2) преобразователя мощности по п. 1,
в котором схема дополнительно содержит первый и второй переключатели (8, 9), причем компоновка первичной индуктивности (6), первого переключателя (8) и второго переключателя (9) соответствует синхронному повышающему преобразователю, причем предпочтительно, по меньшей мере, один из первого и второго переключателей (8, 9) представляет собой силовой MOSFET.
4. Каскад (2) преобразователя мощности по п. 1,
в котором схема содержит третий и четвертый переключатели и первый и второй диоды,
причем третий переключатель и первый диод установлены вместе с первичной индуктивностью (6) с образованием повышающего преобразователя для передачи энергии от первого средства (4) накопления энергии на второе средство (5) накопления энергии, и
причем четвертый переключатель и второй диод установлены вместе с первичной индуктивностью (6) с образованием понижающего преобразователя для передачи энергии от второго средства (5) накопления энергии на первое средство (4) накопления энергии.
5. Каскад (2) преобразователя мощности по п. 4,
в котором первичная индуктивность (6) содержит первый индуктивный элемент и вторичный индуктивный элемент, причем первый индуктивный элемент входит в состав повышающего преобразователя, а вторичный индуктивный элемент входит в состав понижающего преобразователя.
6. Контроллер (3) для каскада (2) преобразователя мощности по п. 1,
причем контроллер (3) выполнен с возможностью управления - в дежурном режиме преобразователя (1) мощности - схемой для последовательной передачи энергии через первичную индуктивность (6) от первого средства (4) накопления энергии на второе средство (5) накопления энергии и от второго средства (5) накопления энергии на первое средство (4) накопления энергии.
7. Контроллер (3) по п. 6 для каскада (2) преобразователя мощности по п. 3,
причем контроллер (3) выполнен с возможностью управления схемой в режиме повышения напряжения для передачи энергии от первого средства (4) накопления энергии через первичную индуктивность (6) на второе средство (5) накопления энергии и управления схемой в режиме понижения напряжения для передачи энергии от второго средства (5) накопления энергии через первичную индуктивность (6) на первое средство (4) накопления энергии.
8. Контроллер (3) по п. 6,
причем контроллер (3) выполнен с возможностью прекращения передачи энергии от первого средства (4) накопления энергии на второе средство (5) накопления энергии в тех случаях, когда энергия, остающаяся в первом средстве (4) накопления энергии, достигает предварительно заданного первого минимального значения.
9. Контроллер (3) по п. 8,
в котором первое средство (4) накопления энергии представляет собой конденсатор, соединенный с источником питания, и в котором при предварительно заданном первом минимальном значении напряжение на первом средстве (4) накопления энергии выше пикового значения источника питания.
10. Контроллер (3) по п. 6,
причем контроллер (3) выполнен с возможностью прекращения передачи энергии от второго средства (5) накопления энергии на первое средство (4) накопления энергии
в тех случаях, когда энергия, накопленная в первом средстве (4) накопления энергии, достигает предварительно заданного первого максимального значения, и/или
когда разность между напряжением, накопленным в первом средстве (4) накопления энергии, и напряжением, накопленным во втором средстве (5) накопления энергии, достигает предварительно заданного второго минимального значения.
11. Контроллер (3) по п. 6,
причем контроллер (3) выполнен с возможностью управления схемой для приема энергии от источника питания, соединенного с первым средством (4) накопления энергии, если напряжение, накопленное во втором средстве (5) накопления энергии, достигает предварительно заданного третьего минимального значения.
12. Контроллер (3) по п. 6,
причем контроллер (3) выполнен с возможностью
прекращения какой-либо передачи энергии между первым и вторым средствами (4, 5) накопления энергии, как только напряжение, обеспечиваемое вторичной индуктивностью (7), достигает предварительно заданного второго максимального значения, и
возобновления передачи энергии между первым и вторым средствами (4, 5) накопления энергии, как только напряжение, обеспечиваемое вторичной индуктивностью (7), падает до предварительно заданного четвертого минимального значения.
13. Преобразователь (1) мощности, содержащий каскад (2) преобразователя мощности по п. 1 и контроллер (3) по п. 6.
14. Способ подачи питания в контроллер (3) преобразователя (4) мощности, включающий в себя этапы, на которых:
- обеспечивают каскад (2) преобразователя мощности по п. 1, и
- в дежурном режиме преобразователя (1) мощности осуществляют последовательную передачу энергии через первичную индуктивность (6) от первого средства (4) накопления энергии на второе средство (5) накопления энергии и от второго средства (5) накопления энергии на первое средство (4) накопления энергии.
15. Компьютерно-читаемый носитель, содержащий средства программного кода для обеспечения последовательной передачи энергии - в дежурном режиме преобразователя (1) мощности - через первичную индуктивность (6) от первого средства (4) накопления энергии на второе средство (5) накопления энергии и от второго средства (5) накопления энергии на первое средство (4) накопления энергии, выполняемой при запуске программного продукта на контроллере (3) по п. 6 в преобразователе (1) мощности по п. 13.
