Багатофазний імпульсний перетворювач з гранично-розривним режимом функціонування

Багатофазний імпульсний перетворювач з гранично-розривним режимом функціонування, який містить вхідні клеми, підключені до перших входів N силових каналів з датчиками нуля струму дроселя, на другі входи яких через N драйверів подаються сигнали керування з N типових контролерів, перші із виходів силових каналів з датчиками нуля струму об'єднано і підключено до вихідних клем і до перших входів типових контролерів, на другі входи яких подаються сигнали синхронізації з виходів десяткового 3 30262 працюють з однаковою частотою і рівномірним фазовим зсувом на загальне навантаження. В залежності від вхідної напруги, струм у навантаження СК можуть працювати в розривному, граничному, чи безрозривному режимі струму дроселя, однак пристрій не може забезпечити функціонування силових каналів БІП в граничному чи розривному режимах у всьому діапазоні регулювання, що погіршує ККД, особливо при великих напруга х і потужностях, погіршує динаміку і електромагнітну сумісність перетворювача. Задачею корисної моделі є забезпечення режима функціонування СК перетворювачів понижуючого, підвищуючого, інвертуючого типів і їх аналогів - прямоходового, зворотноходового, двотактних у гарантованому розривному режимі, найближче до граничного режиму, з однаковою частотою і рівномірним фазовим зсувом між СК, що зменшує втрати і електромагнітні перешкоди за рахунок переключення силових елементів включення транзисторного і вимкнення діодного ключів при нульовому струмі, поліпшення динамічних властивостей за рахунок повного використання енергії, накопиченої в дроселі. Поставлена задача вирішується тим, що в БІП, який містить вхідні клеми 1, підключені до перших входів N силових каналів з датчиками нуля струму дроселя 6.1 - 6.N, на другі входи яких через N драйверів 5.1 - 5.N подаються сигнали керування з N типових контролерів 3.1 - 3.N, перші із виходів силових каналів з датчиками нуля струму 6.1 - 6.N об'єднано і підключено до вихідних клем 2 і до перших входів типових контролерів 3.1 - 3.N, на другі входи яких подаються сигнали синхронізації з виходів десятинного лічильника-дільника 9, вхід якого . підключено к виходу перетворювача напруги в часто ту 8, вхід якого підключено до виходу фільтра низьких частот 7, який відрізняється тим, що в нього включена тригерномажоритарна система 10, на перші N входів якої подаються сигнали з лічильника-дільника 9, другі N входів якої підключено к другим виходам силових каналів з датчиками нуля струму дроселя 6.1 - 6.N, вихід тригерно-мажоритарної системи 10 з'єднано із входом фільтра низьких частот 7, а також введенням між типовими контролерами 3.1 3.N і драйверами 5.1 - 5.N N систем блокування сигналу керування 4.1 - 4.N, другі входи яких підключено до других ви ходів силових каналів з датчиками нуля струму дроселя 6.1 - 6.N, на треті входи блоків 4.1 - 4.N подаються сигнали синхронізації з десятинного лічильника-дільника 9. Введення означених елементів відрізняє запропонований БІП від прототипу, оскільки дозволяє гарантовано функціонувати СК в граничному чи розривному режимах з однаковою частотою і рівномірним фазовим зсувом. В результаті зменшуються динамічні втрати в елементах СК, поліпшуються ККД, електромагнітна сумісність, динамічні показники. На креслені Фіг.1 зображена блок-схема БІП з гранично-розривним режимом функціонування, 4 Фіг.2 - приклад функціональної схеми пристрою синхронізації і тригерно-мажоритарної системи, Фіг.3 - діаграми роботи до Фіг.2, Фіг.4 - приклад функціональної схеми контролеру і системи блокування для токової системи керування, Фіг.5 - діаграми роботи пристрою Фіг.4. БІП містить (Фіг.1) вхідні клеми 1 для підключення джерела первинного живлення, вихідні клеми 2 для підключення навантаження, N типових контролерів управління 3.1 - 3.N, N систем блокування сигналу керування 4.1 - 4.N, N вихідних драйверів 5.1 - 5.N, N силових каналів с датчиками нуля струму дроселя 6.1 - 6.N, 7 фільтр низьких частот, 8 - перетворювач напруги у частоту, 9 - десятинний лічильник з N виходами, 10 - тригерно-мажоритарна система. Багатофазний імпульсний перетворювач з гранично-розривним режимом функціонування працює таким чином. Сигнал, пропорційний частоті роботи БІП (U7=N*f6) виділяється з виходу фільтра низьких частот (ФНЧ) 7 і подається на вхід перетворювача напруги у частоту (ПНЧ) 8. Вихідним сигналом блоку 8 є імпульси з частотою в N раз перевищуючі частоту роботи одного СК (f8=N*f6), які подаються на вхід десятинного лічильника 9. Лічильник 9 має N виходів, сигнали на яких імпульси синхронізації - зсунути рівномірно між собою, а частоти імпульсів на кожному із виходів дорівнюють частоті роботи одного силового каналу. Сигнали з блоку 9 подаються на перші N входів тригерно-мажоритарної системи 10. На другі N входів блоку 10 подаються N сигналів з датчиків нуля струму силових каналів 6.1 - 6.N. В блоці 10 відбувається аналіз роботи СК встигають більшість з них функціонувати в гранично-розривному режимі чи ні. У випадку якщо більшість СК (N/2+1) функціонують в розривному режимі - блок 10 формує сигнал логічної одиниці (U10=1), інакше - сигнал логічного нуля (U10=0). Вихідний сигнал блоку 10 є вхідним для ФНЧ 7, який виділяє з нього постійну складову і таким чином . підстроює частоту роботи перетворювача напруги у частоту 8. Вхідна напруга з клем 1 подається на перші із входів силови х каналів з датчиками нуля струму 6.1 - 6.N, на другі входи яких подається сигнал з систем блокування сигналу керування 4.1 - 4.N через драйвери 5.1 - 5.N, які узгоджують сигнал керування по рівню, напрузі і струму. Перші виходи силових каналів 6.1 - 6.N об'єднано і підключено до вихідних клем 2, а також до перших входів типових контролерів 3.1 - 3.N (сигнал зворотного зв'язку). До других входів контролерів 3.1 - 3.N підключено сигнали синхронізації з виходів десятинного лічильнику 9. Типові контролери 3.1 - 3.N формують сигнали по будь якому закону керування, виходи яких подаються на перші входи систем блокування сигналу керування 4.1 - 4.N. Другі ви ходи силових каналів з датчиками нуля стр уму 6.1 - 6.N є си гналами нулю стр уму дроселя і підключені до других N входів тригерно 5 30262 6 мажоритарної системи 10, а також до других входів систем блокування сигналу керування 4.1 4.N. На треті входи блоків 4.1 - 4.N подаються сигнали синхронізації з блоку 9. Системи блокування сигналу керування 4.1 - 4.N працюють таким чином, що блокують, якщо потрібно, сигнали керування, сформовані блоками 3.1 - 3.N до моменту закінчення циклу перетворення відповідного СК (спадання струму дроселя до нуля), чим забезпечують гарантовану відсутність безрозривного режиму функціонування силових каналів. Можлива реалізація системи синхронізації СС (блоки 7-10) показано на Фіг.2, діаграми, пояснюючі роботу схеми приведено на Фіг.3. На Фіг.2 позначено ГЕН - перетворювач напруги у частоту (генератор, що керується напругою), частота якого в N раз вище частоти перетворювання СК, СЧ - десятинний лічильник, розрядності N, Т1...TN - N D-тригерів, де N кількість СК, М - мажоритарний елемент, Ф фільтр низьких частот. На Фіг.3 представлено діаграми роботи СС для N=3 СК. Сигнал СЧ - стан десятинного лічильника (в даному випадку їх 3 - це 1, 2, 3). Кожний із виходів лічильника через диференціальну ланку (на схемі не показана) яка виділяє фронт імпульсу, є сигналом синхронізації (сигнали С 1, С2, С3) для відповідних СК и сигналом стробу по С-входу одного із D - тригерів (вихід С1 к Т1 С2 к Т2, С3 к Т3.). На D - входи тригерів подаються сигнали з датчиків нульового струму ДТ силових каналів (сигнали Д1 - Д3), логічна «1» струм дорівнює нулю, логічний «0» - струм ненульовій, (сигнал Д1 на Т1 Д2 на Т2, Д3 на Т3). Для ілюстрації на осях сигналів датчиків струму приведено діаграми струмів дроселів iL k (t ) напруга на ви ході фільтра ФНЧ і, відповідно, частота генератора ГЕН починають збільшуватися. В момент часу t3 формується сигнал синхронізації на СК3 и строб записи стану струму каналу С 3. Так як СК3 самий швидкий, к цьому моменту струм дроселя iL 3 (t 3 ) = 0 , сигнал с відповідних каналів. По стробу Ck відповідний тригер зберігає стан D-входу. Ви ходи тригерів (сигнали Т1, Т 2, Т3) подаються на вхід мажоритарного елемента М, вихідний сигнал якого (сигнал М) приймає логічний стан більшості входів. Сигнал с мажоритарного елемента згладжується фільтром Ф, вихід якого (сигнал Ф) є входом для генератора, що керується напругою ГЕН и керує його частотою. Припустимо, що СК1 самий повільний - його власна частота мінімальна, СК3 самий швидкий, намагається працювати з максимальною частотою, власна частота перетворювання СК2 знаходиться між частотами роботи СК1 и СК3. В момент часу t1 формується строб и синхроімпульс С1 для СК1 так як. СК1 самий повільний - період перетворення в ньому ще не закінчився, відповідно струм дроселя iL1 (t1 ) ¹ 0 , a сигнал датчика струму Д1=0. Таким чином вихід тригера Т1 встановлюється в логічний «0». В момент часу t2 формується строб и синхроімпульс С 2на СК2. К цьому моменту період перетворення в СК2 закінчився, струм дроселя iL 2 (t 2 ) = 0 , датчиком струму формується сигнал Д2=1, який фіксується тригером Т2 (Т2=1). В момент t2 вихід мажоритарного елемента переключається в «1», формується сигнал синхронізації (Ck ) (в прикладі на Фіг.3 моменти часу t1 , t 4, t7 для СК1, t5 для СК2) необхідно в системи керування ввести мінімум три елемента, так як показано на Фіг.4 для k-ого СК (елементи 3.k, 4.k із Фіг.1) на прикладі струмкової системи керування. На Фіг.4 датчик напруги навантаження - дільник R1, R2, джерело опорної напруги UREF, підсилювач сигналу разсогласування D1, компаратор D2, що порівнює сигнал с підсилювача D1 і сигнал пропорційний струму транзистора i VTk (t ) - елементи, що входять в состав типового контролера (блок 3.k на Фіг.1). Елементи D3, D4, D5 - допоміжні, мінімально необхідні для не допустимості безрозривного режиму стр уму дроселя - система блокування сигналу керування (блок 4.k на Фіг.1). На Фіг.5 розглянуто всі можливі варіанти роботи системи k-ого силового каналу. К моменту формування синхроімпульсу Ck t1 стр ум дроселя датчика струму Д3=1, на виході тригера Т3 формується логічна «1». В момент часу t4, аналогічно t1 формується синхроімпульс на СК1 в тригер Т1 записується 0. В момент часу t5 формується сигнал синхроімпульсу СК2 і стробу С2 тригера Т2, але у зв'язку із збільшенням частоти генератора ГЕН (с моменту часу t 2) стр ум дроселя СК2 не встигає впасти до нуля и на виході тригера Т2 формується логічний «0». Одночасно на виході мажоритарного елемента М також формується логічний «0» (М=0), вихідна напруга фільтра Ф и частота генератора ГЕН починають зменшуватися. В момент часу t 6, аналогічно t3 формується сигнал синхронізації для СК3, логічна 1 записується в тригер Т3. В моменти часу t7 и далі описанні процеси в системі синхронізації будуть повторяться. При цьому, в квазівстановившему режимі синхроімпульси на самі повільні канали (в прикладі СК1) будуть приходить до закінчення періоду перетворення, на самі швидкі (в прикладі СК3) завжди в моменти нуля струму дроселя, на канали із середньою швидкістю функціонування (в прикладі СК2) синхроімпульси можуть приходити як в моменти нульового так и ненульового струму дроселя. При цьому частота імпульсів синхронізації всіх силових каналів завжди буде відповідати частоті самого повільного СК (в прикладі СК1: f2=f1 f3=f1). Для недопустимості включення СК в моменти ненульового струму дроселя iL k (t ) ¹ 0 , коли iL k (t1 ) = 0 впав до нуля (розривний режим), в наслідок чого датчик струму формує сигнал Дk=1, транзистор СК вимкнено (сигнал Упр k=0). По імпульсу синхронізації зводиться тригер D4, на його виході з'являється сигнал логічної «1», який через елемент 2I D5 поступає на S - вхід тригера 7 30262 D3. На виході D3 (сигнал Упр k) формується логічна 1 - сигнал на включення транзистора силового каналу. Цей же сигнал поступає на R-вхід тригера D4 і скидає його. Як тільки починається інтервал накопичення енергії в дроселі СК, струм дроселя зростає, сигнал с датчика струму Д k змінює свій логічний стан на 0. В момент часу t 2 стр ум дроселя СК достигає свого максимального значення iL k (t 2 )= Imk , що фіксується компаратором D2 (сигнал D2), при цьому тригер D3 скидається, що припиняє формування сигналу керування Упрk. В момент часу t 3 одночасно формуються сигнали синхронізації С k=1 и датчика струму Д k=1. При цьому сигнал С k зводить тригер D4, логічна «1» з виходу якого через D5 поступає на S - вхід тригера D3. На виході D3 (сигнал Упр k) формується «1», транзистор відкривається, починається новий період перетворення, а тригер D4 скидається. СКk працює в граничному режимі. В момент часу t4 , аналогічно моменту t2, струм дроселя дістає свого пікового значення, тригер D3 скидається, що формує сигнал Упр k=0 и закриває транзистор СК - починається інтервал звороту. В момент часу t5 приходить імпульс синхронізації Сk, який зводить тригер D4 (D4=1). Але на ви ході елемента 2I D5 логічна одиниця з'явиться тільки в момент часу t6, коли струм дроселя спадає до нуля. Таким чином, сигнал керування на СК поступає по сигналу синхронізації, але не раніше закінчення інтервалу звороту. Описані схеми синхронізації и керування, алгоритм роботи забезпечують синхронізацію силових каналів БІП із рівномірним зсувом, що гарантує функціонування кожного СК в граничному або розривному режимі з однак частотою, а також підтверджують можливість здійснення винаходу. Джерела інформації: 1. Патент США №6,285,571 В1, МПК7 Н02М7/23; G05F1/59, 2001 2. Патент США №5,724,237, МПК6 Н02J1/10; Н02М3/158, 1998 3. Патент США №6,381,155, МПК7Н02М3/158, 2002 8 9 30262 10