Способ управления импульсным преобразователем напряжения

Авторы патента:

Лекарев Анатолий Федорович (RU)

Костарев Игорь Степанович (RU)

Гаврилов Анатолий Михайлович (RU)

Нагорный Василий Олегович (RU)

G05F1/56 - с использованием в качестве оконечных управляющих устройств полупроводниковых приборов, соединенных последовательно с нагрузкой

Владельцы патента RU 2759688:

Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (RU)

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках вторичного электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Техническим результатом является устранение статической ошибки выходного напряжения импульсного преобразователя напряжения при изменении тока нагрузки. Сущность изобретения заключается в том, что управление преобразователем осуществляют с использованием вычисленного текущего значения индуктивности дросселя. 3 ил.

Известен способ управления импульсным преобразователем напряжения, заключающийся в том, что управляющий сигнал формируют как сумму сигнала рассогласования, сигнала тока дросселя и сигнала пилообразной развертки с постоянной амплитудой (Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению, Г.А. Белов, С.А. Кузьмин. - ЭТВА, вып. 15. С. 48-58.: Радио и связь, 1984).

Недостатком известного способа управления является то, что устойчивая работа преобразователя возможна только в узком диапазоне изменения напряжения питания и тока нагрузки, кроме того, сигнал развертки не определяет состояния системы, поэтому изменение напряжения питания или тока нагрузки приводит к появлению статической ошибки.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ управления импульсным преобразователем напряжения, заключающийся в том, что вычисляют сигнал ошибки между выходным и заданным напряжением, вычисляют сигнал рассогласования между током дросселя и током нагрузки, определяют сигнал развертки как прогнозируемое к моменту коммутации ключевого элемента значение сигнала рассогласования с противоположным знаком, управляющий сигнал формируют как сумму сигнала ошибки, сигнала рассогласования, и сигнала развертки (Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф., Тихонов Е.Г. Синтез управления следящими инверторами систем электропитания // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2004. №6. С. 20-25).

Известный способ реализует закон управления вида

где F - управляющий сигнал; x=(U_н-U_oп) - сигнал ошибки; U_н - выходное напряжение; U_оп - напряжение задания; - сигнал рассогласования; i_L - ток дросселя; i_н - ток нагрузки; k_m - коэффициент пропорциональности, определяющий динамические характеристики преобразователя (Казанцев Ю.М., Чернышев А.И., Лекарев А.Ф. Формирование квазискользящих процессов в импульсных преобразователях с ШИМ // Электричество. 1993. №12. С. 45-49); Y_р - сигнал развертки; L - индуктивность дросселя; U1_L - напряжение на дросселе в начале периода модуляции; U2_L - напряжение на дросселе в конце периода модуляции; при модуляции заднего фронта U1_L=U_п-U_н, U2_L=-U_н; при модуляции переднего фронта U1_L=-U_н, U2_L=U_п-U_н; Т - длительность периода модуляции. t_p=T{t/T] - временная координата для формирования сигнала развертки ({t/T} - дробная часть выражения t/T); t_к - момент коммутации ключевого элемента, определяемый корнями уравнения F=0 при F'>0 для модуляции заднего фронта импульса и при F'<0 для модуляции переднего фронта импульса; F' - производная управляющего сигнала; VT - состояние ключевого элемента (VT=1 - включен, VT=0 - выключен).

Известный способ управления обеспечивает устойчивую работу преобразователя в широком диапазоне изменения напряжения питания и нагрузки.

Недостатком известного способа управления является появление статической ошибки при изменении тока нагрузки обусловленное возникающим несоответствием между принятым и текущим значением индуктивности дросселя (текущее значение может изменяться от времени, внешних условий, зависит от тока дросселя).

Для подтверждения сказанного проведено моделирование преобразователя. На фиг. 1 представлены временные диаграммы сигнала ошибки х=U_н-U_оп, тока дросселя i_L, тока нагрузки i_н и текущие значения индуктивности дросселя при скачкообразном изменении тока нагрузки i_н от 15 до 5 А и обратно в преобразователе напряжения с задним фронтом широтно-импульсной модуляции и параметрах U_п=50 В, U_оп=27 В, частота модуляции - 50 кГц, емкость выходного конденсатора С=750 мкФ, дроссель имеет 70 витков на магнитопроводе МП140-1, К 44,0*28,0*10,3 индуктивность дросселя, принятая для формирования сигнала развертки, L=63 мкГн.

Видно, что изменение выходного тока преобразователя приводит к изменению текущего значения индуктивности дросселя и как следствие к смещению сигнала ошибки (смещение пропорционально разнице значений текущей и расчетной индуктивности дросселя).

Технический результат предполагаемого изобретения состоит в устранении статической ошибки выходного напряжения импульсного преобразователя напряжения при изменении тока нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в способе управления импульсным преобразователем напряжения, заключающемся в вычислении сигнала ошибки между выходным и заданным напряжением, вычислении сигнала рассогласования между током дросселя и нагрузки, определении сигнала развертки как прогнозируемого к моменту коммутации ключевого элемента значения сигнала рассогласования с противоположным знаком, формировании управляющего сигнала как суммы сигналов ошибки, рассогласования и развертки, дополнительно вычисляют текущее значение индуктивности дросселя, а сигнал развертки определяют с использованием вычисленного текущего значения индуктивности дросселя.

Для вычисления текущего значения индуктивности дросселя определяют отношение текущего значения напряжения дросселя к сигналу пропорциональному производной по времени от сигнала тока дросселя.

Сущность изобретения заключается в том, что управление преобразователем осуществляют с использованием вычисленного текущего значения индуктивности дросселя.

Уравнение индуктивности дросселя имеет следующий вид:

где U_L - текущее значение напряжения дросселя; - сигнал пропорциональный производной по времени от сигнала тока дросселя.

Работу преобразователя осуществляют в соответствии с законом управления

При модуляции заднего фронта

при модуляции переднего фронта

где F - управляющий сигнал; х=(U_н-U_оп) - сигнал ошибки; U_оп - сигнал задания; - сигнал рассогласования; i_L - ток дросселя; i_н - ток нагрузки; k_m - коэффициент пропорциональности, определяющий динамические характеристики преобразователя; Y - сигнал развертки без учета индуктивности дросселя; Y_Р - сигнал развертки; L_тек - текущее значение индуктивности дросселя; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки {{t/T} - дробная часть выражения t/T); t_к - момент коммутации ключевого элемента, определяемый корнями уравнения F=0 при F'>0 для модуляции заднего фронта импульса и при F'<0 для модуляции переднего фронта импульса; VT - состояние ключевого элемента (VT=1 - включен, VT=0 - выключен).

На фиг. 2 представлена схема импульсного преобразователя постоянного напряжения, реализующая предлагаемый способ управления; на фиг. 3 приведены временные диаграммы сигнала тока дросселя 3 i_L, тока нагрузки I_н, сигнала ошибки х=U_н-U_оп и текущие значения индуктивности дросселя при скачкообразном изменении тока нагрузки I_н от 15 до 5 А и обратно в понижающем преобразователе напряжения с законом управления (3).

Импульсный преобразователь напряжения (фиг. 2) состоит из: ключевого элемента 1, диода 2, дросселя 3, выходного конденсатора 4, нагрузки 5, блока 6 формирования VT - переключающего сигнала, узла 7 формирования F - управляющего сигнала, узла 8 вычисления - сигнала рассогласования, узла 9 вычисления х - сигнала ошибки, узла 10 формирования Y_p - сигнала развертки, блока 11 формирования сигнала пропорционального производной по времени от сигнала тока дросселя 3, блока 12 вычисления L_тек - текущего значения индуктивности дросселя 3, блока 13 вычисления Y - сигнала развертки без учета индуктивности дросселя 3, датчика 14 тока дросселя 3, датчика 15 тока нагрузки 5, датчика 16 напряжения дросселя 3.

Первый вывод ключевого элемента 1 соединен с шиной питания U_п, второй вывод ключевого элемента 1, первый вывод диода 2 и первый вывод дросселя 3 соединены между собой, второй вывод дросселя 3 соединен с первым выводом конденсатора 4 через датчик 14, первый вывод конденсатора 4 соединен с выходной шиной U_н через датчик 15, первый вывод нагрузки 5 соединен с выходной шиной U_н, вторые выводы диода 2, выходного конденсатора 4 и нагрузки 5 соединены с общей шиной U₀, управляющий вход ключевого элемента 1 соединен с выходом VT блока 6, первый вход блока 6 соединен с выходом F узла 7, первый вход узла 7 соединен с выходом узла 8, второй вход узла 7 соединен с выходом х узла 9, третий вход узла 7 соединен с выходом Y_p узла 10, первый вход узла 10 соединен с выходом L_тек блока 12, первый вход блока 12 соединен с выходом блока 11, второй вход узла 8 и вход узла 11 соединены с выходом I_L датчика 14, первый вход узла 8 соединен с выходом I_н датчика 15, первый вход узла 9 и первый вход блока 13 соединены с выходной шиной U_н, второй вход узла 9 соединен с шиной задания U_оп, второй вход узла 10 соединен с выходом Y блока 13, второй вход блока 12 соединен с выходом U_L датчика 16, второй вход блока 13 соединен с шиной питания U_п, второй вход блока 6 и третий вход блока 13 соединены с шиной синхронизации t₀.

Импульсный преобразователь напряжения (фиг. 2), реализующий закон управления (3) работает следующим образом:

Блок 11 формирует сигнал пропорциональный производной по времени от сигнала тока дросселя 3.

Блок 12 вычисляет текущее значение индуктивности дросселя 3 по формуле (2)

где U_L - текущее значение напряжения дросселя 3, поступает с датчика 16;

- сигнал пропорциональный производной по времени от сигнала тока дросселя 3, поступает с выхода узла 11.

В блоке 13 формируют сигнал развертки Y (без учета индуктивности дросселя) для преобразователей напряжения с модуляцией заднего фронта - выражением

а для преобразователей напряжения с модуляцией переднего фронта - выражением

где t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки {{t/T} - дробная часть выражения t/T); t_p=0 при поступлении сигнала t₀ с шины синхронизации t₀.

В узле 10 формируют сигнал развертки Y_p выражением

где L_тек - текущее значение индуктивности дросселя 3, поступает с выхода блока 12; Y - сигнал развертки Y (без учета индуктивности дросселя), поступает с выхода блока 13.

В узле 8 вычисляют сигнал рассогласования выражением

где i_L - сигнал тока дросселя 3, поступает с выхода датчика 14; i_н - сигнал тока нагрузки, поступает с выхода датчика 15.

В узле 9 формируют сигнал ошибки - выражением

где U_н - поступает с выходной шины U_н; U_оп - поступает с шины задания U_оп.

В узле 7 формируют управляющий сигнал F выражением

где х - сигнал рассогласования, поступает с выхода узла 9; - сигнал рассогласования, поступает с выхода узла 8; Y_р - сигнал развертки, поступает с выхода узла 10.

В узле 6 в соответствии с законом управления (3) формируют переключающий сигнал VT, управляющий состоянием ключевого элемента 1.

Иллюстрация эффекта от реализации предложенного способа управления приведена на фиг. 3 временными диаграммами сигнала рассогласования х=U_н-U_оп, тока дросселя i_L, тока нагрузки i_н и текущие значения индуктивности дросселя при скачкообразном изменении тока нагрузки i_н от 15 до 5 А и обратно в преобразователе напряжения с задним фронтом широтно-импульсной модуляции и параметрах U_п=50 В, U_оп=27 В, частота модуляции - 50 кГц, емкость выходного конденсатора С=750 мкФ, дроссель имеет 70 витков на магнитопроводе МП140-1, К 44,0*28,0*10,3

Видно, что при изменении тока нагрузки статическое значение сигнала рассогласования между выходным и заданным сигналами не меняется.

Таким образом, формирование сигнала развертки с использованием текущих значений индуктивности дросселя 3 устраняет статическую ошибку выходного напряжения импульсного преобразователя напряжения при изменении тока нагрузки.

Способ управления импульсным преобразователем напряжения, заключающийся в вычислении сигнала ошибки между выходным и заданным напряжением, вычислении сигнала рассогласования между током дросселя и нагрузки, определении сигнала развертки как прогнозируемого к моменту коммутации ключевого элемента значения сигнала рассогласования с противоположным знаком, формировании управляющего сигнала как суммы сигналов ошибки, рассогласования и развертки, отличающийся тем, что вычисляют текущее значение индуктивности дросселя, а сигнал развертки определяют с использованием вычисленного текущего значения индуктивности дросселя.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве стабилизатора напряжения питания при создании микромощных электронных схем с автономным электропитанием. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.

Импульсный стабилизатор напряжения // 2755496

Изобретение относится к области электротехники, в частности к импульсным стабилизаторам напряжения. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.

Управляемое пусковое устройство // 2752252

Изобретение относится к области электротехники, радиотехники и гидроакустики и предназначено для применения в устройствах электропитания передающих трактов с повторно кратковременными режимами работы. Предложено пусковое устройство с каналом постоянного тока заряда, содержащим последовательно включенные резистивный датчик (1) тока и регулирующий элемент (2), обеспечивающие режим генератора тока заряда емкости фильтра (6) при отключенном потреблении нагрузки.

Источник питания // 2746273

Изобретение относится к источникам питания с регулировкой выходного напряжения и выходного тока и может быть использовано для питания различных узлов, для которых требуется как возможность управления уровнями выходного напряжения и выходного тока, так и быстрое переключение между режимами регулирования, например, для формирования напряжения питания коллекторов (стоков) транзисторов при тестировании их характеристик.

Стабилизированный ключевой преобразователь напряжения // 2739398

Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к вторичным источникам электропитания функциональной аппаратуры телекоммуникационного оборудования и гидроакустической техники, в том числе для электропитания удаленных потребителей. Техническим результатом является повышение стабильности вторичного напряжения и достижение надежной работы при изменении выходного тока за счет использования комбинированной обратной связи (ОС) по выходному напряжению и выходному току, чем достигается повышение глубины ОС в номинальном режиме работы и переход к ограничению выходного тока в режиме перегрузки посредством введения датчика тока, цепи обратной связи по току и усилителя разностного сигнала в цепи обратной связи по выходному напряжению.

Компенсационный стабилизатор напряжения на полевых транзисторах для работы при низких температурах // 2736548

Изобретение относится к области вторичных источников электропитания и может быть использовано в структуре аналоговых и цифровых микросхем, работающих в условиях криогенных температур и воздействия радиации. Технический результат заявленного изобретения заключается в создании условий в архитектуре известного КСН, при которых становится возможным применение JFET транзисторов и, как следствие, обеспечивается надежная работа устройства в тяжелых условиях эксплуатации.

Низкотемпературный и радиационно-стойкий компенсационный стабилизатор напряжения на комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом // 2732950

Изобретение относится к области вторичных источников электропитания и может быть использовано в структуре аналоговых и цифровых микросхем, работающих в условиях криогенных температур и воздействия радиации. Техническим результатом заявленного изобретения является создание условий в архитектуре известного КСН на КМОП полевых транзисторах, при которых становится возможным применение JFET транзисторов и, как следствие, обеспечивается надежная работа устройства в тяжелых условиях эксплуатации.

Источник опорного напряжения с калибровкой выходного напряжения // 2715215

Изобретение относится к области электротехники, в частности к источникам опорного напряжения. Технический результат заключается в создании источника опорного напряжения с калибровкой выходного напряжения с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно со стабильным выходным напряжением после калибровки и автоматическим процессом подстройки регулируемых элементов.

Источник опорного тока для задач стабилизации статического режима операционных усилителей при низких температурах // 2711350

Изобретение относится к области радиотехники и микроэлектроники и может быть использовано в аналоговых микросхемах и аналого-цифровых интерфейсах датчиков, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (низкие температуры, проникающая радиация). Технический результат: повышение стабильности выходного тока устройства, в том числе при криогенных температурах; создание условий, которые позволяют управлять численными значениями допустимого диапазона изменений напряжений на первом и втором токовых выходах; обеспечение одинаковых свойств первого и второго токовых выходов, при которых напряжения на этих выходах могут изменяться независимо друг от друга.

Импульсный стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок по току // 2711138

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании блоков питания радиоаппаратуры и регулируемых микроэлектроприводов постоянного тока. Техническим результатом данного изобретения является повышение надежности функционирования и КПД за счет исключения потерь мощности в силовом транзисторе.

Устройство защиты от короткого замыкания // 2760360

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в силовой электронике. Технический результат заключается в повышении надежности работы и защиты силовых MOSFET транзисторов в цепях питания постоянного тока напряжением 310 В от токов короткого замыкания. Технический результат достигается за счет схемотехнического решения с разделенными силовой и сигнальной массами, повышающего надежность и обеспечивающего низкий уровень шумов с датчика тока. 1 ил.