Стабілізований перетворювач напруги

Стабілізований перетворювач напруги (СПН) з широтно-імпульсним регулюванням (ШІР) вихідної напруги, що містить одноланцюговий LC-фільтр, вихід якого підключений до навантаження, ланцюг від'ємного зворотного зв'язку (ВЗЗ) по вихідній напрузі фільтра і ланцюг додатного зворотного зв'язку (ДЗЗ) по струму дроселя фільтра з датчиком напруги (ДН) і датчиком струму (ДС), виходи яких підключені до системи управління (СУ), який відрізняється тим, що введені транзистор для ШІР вихідної напруги, що з'єднаний послідовно між джерелом вхідної напруги (ДВН) і дроселем фільтра, управляючим входом - до виходу СУ, зв'язки по струму навантаження (для непрямої оцінки величини опору навантаження) з ДС і вхідній напрузі з ДН, аналоговий мультиплексор, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер обчислення тривалості імпульсу ШІМ із зовнішнім ПЗП і інтегрованими в нього паралельним портом і ШІМ, підсилювач імпульсів управління транзистором, причому аналоговий мультиплексор підключений входами до датчиків напруги ДВН, струму дроселя фільтра, струму навантаження, вихідної напруги, виходом - до входу АЦП, виходи АЦП підключені до виводів паралельного порту мікроконтролера, мікроконтролер виводом ШІМ підключений до підсилювача імпульсів управління, а підсилювач своїм виходом - до управляючого входу транзистора, тривалість імпульсу ШІМ (тривалість підключення ДВН через фільтр до навантаження) знайдена із застосуванням дискретного аналога другого (прямого) методу Ляпунова: Винахід відноситься до перетворювальної техніки і може бути використаний як вторинне імпульсне джерело електроживлення, ключовий стабілізатор, регулятор напруги і перетворювач рівня постійної напруги великої і середньої потужності з високою стабільністю вихідної напруги при зміні навантаження в широких межах. Відомий стабілізатор напруги [1], що містить послідовно з'єднані широтно-імпульсний модулятор (ШІМ), ключовий підсилювач (КП), фільтр низьких частот (ФНЧ) і ланцюг від'ємного зворотного зв'язку (ВЗЗ) по вихідній напрузі (для винаходу також є характерним використання ШІМ, КП, ФНЧ і ВЗЗ по вихідній напрузі). 31343 Для забезпечення високої якості вихідної напруги в таких пристроях потрібно використовувати багатоланцюгові LC-фільтри, що дозволяють забезпечити високий ступінь придушення високочастотних складових імпульсної напруги. Проте застосування багатоланцюгових ФНЧ перешкоджає введенню ефективного ВЗЗ по вихідній напрузі, величина якої обмежена умовою стійкої роботи ключових стабілізаторів. При цьому забезпечується недостатня стабільність вихідної напруги. Відомий також ключовий стабілізатор [2], що містить послідовно з'єднані ШІМ, КП і ФНЧ, ланцюг ВЗЗ по імпульсному сигналу на виході КП з датчиком напруги (ДН) і ланцюг додатного зворотного зв'язку (ДЗЗ) з другим ФНЧ по середньому значенні вихідного струму КП з датчиком струму (ДС). Для винаходу також є характерним використання ШІМ, КП, ФНЧ і зв'язку по вихідній напрузі КП (амплітуді імпульсу на вході фільтра). Пристрій орієнтований на підключення навантаження через протяжний магістральний кабель, тому в ньому для забезпечення високої стабільності вихідної напруги при зміні опору навантаження в широких межах проводиться компенсація падіння напруги на активному опорі елементів ФНЧ та шинах підключення навантаження шляхом введення додаткового ФНЧ в ланцюг ДЗЗ та використання інтегратора в ШІМ. Крім цього, для забезпечення ефективного придушення гармонік частоти переключення і формування вихідної напруги з малим рівнем пульсацій (порядку від 0,5 до 5 мВ) вихідний ФНЧ повинен виконуватися по багатоланцюговій схемі і містити режекторні і інжекторні ланцюги. Тому, при використанні простих одноланцюгових LС-фільтрів неможливо забезпечити необхідну стабільність вихідної напруги. Найбільш близьким по технічній суті до винаходу є пристрій [3], що містить джерело високостабільної постійної напруги, однотактний перетворювач (ОТП) як ключовий регулятор (КР), що з'єднаний через понижуючий трансформатор з низьковольтною частиною пристрою, ДН на навантаженні, ДС дроселя фільтра і систему управління (СУ). Низьковольтна частина включає в себе однопівперіодний випрямляч і одноланцюговий LСфільтр, вихід якого підключений до навантаження. ОТП служить для широтно-імпульсного регулювання (ШІР) напруги, що поступає на вхід LСфільтра з метою стабілізації напруги на навантаженні. Із суттєвими ознаками винаходу збігаються наступні ознаки розглянутого пристрою: для перетворення рівня постійної напруги використано ШІР; випрямлення і згладжування широтно-імпульсного сигналу (ШІС) на виході КР здійснюється за допомогою одноланцюгового LС-фільтра; формування імпульсів управління КР виконується СУ з використанням внутрішнього ВЗЗ по вихідній напрузі з ДН і ДЗЗ по струму дроселя фільтра з ДС. Для забезпечення високої стабільності вихідної напруги (амплітуда пульсацій вихідної напруги не більше 1,2%) при зміні опору навантаження в широких межах пристрій передбачає використання мережі високостабільної постійної напруги. Крім того, для забезпечення надійної роботи силових транзисторів на підвищених частотах і робочих напругах необхідна розробка ефективних і економіч них демпфуючих ланцюгів. Наступним недоліком пристрою є нерівномірність зовнішньої характеристики навантаження в усьому діапазоні зміни величини навантаження і недостатньо висока стабільність вихідної напруги. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення стабілізованого перетворювача напруги (СПН) з широтно-імпульсною модуляцією і одноланцюговим LC-фільтром шляхом синтезу оптимальної тривалості імпульсу ШІМ перетворювача на основі сучасних методів теорії автоматичного управління, що дає можливість забезпечити підвищення стабільності вихідної напруги при зміні навантаженні в широких межах і збереженні стійкості процесу регулювання вихідної напруги. В пристрої як КР використано транзистор, що з'єднаний послідовно з дроселем LС-фільтра, а синтез оптимальної тривалості імпульсу (ОТІ) ШІМ проведено із застосуванням методу простору станів і дискретного аналогу другого (прямого) методу Ляпунова [4]. Функцію Ляпунова вибрано у вигляді додатно визначеної квадратичної форми, що має фізичний зміст квадрату похибки відтворення СПН необхідної постійної вихідної напруги. Визначено тривалість імпульсу ШІМ в кожному періоді модуляції (ПМ), при якій перша різниця функцій Ляпунова від'ємно визначена і досягає екстремуму. При цьому, в (k+1)-й період модуляції ОТІ широтноімпульсного модулятора (тривалість замкнутого стану транзистора або тривалість підключення напруги джерела вхідної напруги (ДВН) через фільтр до навантаження) dk+1 СПН з LC-фільтром знаходиться за формулою: K Uk Uвихk + K I k ILk + Uз dk +1 = , (1) -1 K I k L [Um k - (Rвх + R vt - R vd ) ILk ] де K Uk = -[( a1 - b)e a1T - (a 2 - b )e a2T ] ( a1 - a 2 ) - ко ефіцієнт головного внутрішнього ВЗЗ по вихідній напрузі СПН по закінченню k-го ПМ; KI k = ( e a1T - e a 2T ) L( a1 - a 2 ) - коефіцієнт внутрішнього ДЗЗ по струму дроселя фільтра СПН по закінченню k-го ПМ; a1,2 = 0,5[b - 1 (Rн k C)] ± ± 0,5 [b - 1 (Rн k C)]2 + 4[b - 1 (R н k C)] LC], 1/с; b = - (R vd + RL ) L , 1/с; Т - період модуляції ШІМ перетворювача, с; R н k - опір навантаження СПН по закінченню k го ПМ, Ом; С - ємність конденсатора фільтра СПН, Ф; L - індуктивність дроселя фільтра СПН, Гн; Rvd, Rvd - опір транзистора і діода СЕН у провідному стані, Ом; RL - активний опір дроселя фільтра СПН, Ом; Rвх - вхідний опір СПН, Ом; Uвих k - вихідна напруга СПН по закінченню k-го ПМ, В; IL k - струм дроселя фільтра СПН по закінченню k-го ПМ, А; Um k - напруга ДВН перетворювача по закінченню k-го ПМ, В; 2 31343 Uз - сигнал завдання (необхідна постійна напруга на виході) СПН, В; k - номер ПМ. Запропонований алгоритм управління СПН грунтується на визначенні тривалості імпульсу ШІМ в кожному ПМ за формулою (1). З аналізу цієї формули можна зробити висновок, що алгоритм передбачає використання не тільки ВЗЗ по вихідній напрузі і ДЗЗ по струму дроселя фільтра, але й зв'язку по навантаженню і напрузі ДВН, тобто забезпечує адаптацію до зміни навантаження і вхідної напруги СПН. При цьому, оптимальні значення всіх коефіцієнтів зворотного зв'язку знайдені з умови мінімізації квадрату похибки відтворення СПН постійної вихідної напруги Uз. Використання для формування ОТІ інформації про всі змінні стану фільтра СПН, про напругу ДВН і опір навантаження (Uвих, IL, Um , Rн) дозволяє забезпечити як підвищення стабільності вихідної напруги при зміні навантаженні в широких межах, так і стійкість функціонування перетворювача. Очевидно, що запропонований алгоритм передбачає точну реалізацію виразу (1) для ОТІ в кожному ПМ. Враховуючи необхідність обчислення тривалості імпульсу ШІМ у реальному масштабі часу і негативність впливу запізнювання в отриманні результату на стійкість, в пристрої для реалізації залежності (1) використано швидкодіючий мікроконтролер (МК) із зовнішнім постійним запам'ятовуючим пристроєм (ПЗП) і інтегрованими у нього паралельним портом і ШІМ. На фіг. 1 зображено функціональну схему СПН. СПН містить джерело 1 вхідної напруги Um , транзистор 2, LC-фільтр 3, навантаження 4, датчик5 напруги ДВН, датчик 6 струму дроселя фільтра IL, датчик 7 струму навантаження (для непрямої оцінки величини опору навантаження Rн) Ін, датчик 8 вихідної напруги Uвих, систему управління (СУ) 9 в складі аналогового мультиплексора (AM) 10, аналого-цифрового перетворювача (АЦП) 11, МК 12 вирахування ОТІ із зовнішнім ПЗП, підсилювача імпульсів управління (ПІУ) 13. AM 10 підключений входами до датчиків 5-8, виходом - до входу АЦП 11, виходи АЦП 11 підключені до виводів паралельного порту МК 12. МК 12 виводом ШІМ підключений до ПІУ 13, а ПІУ 13 своїм виходом - до управляючого входу силового транзистора 2. МК 12 призначений для управління AM 10 і АЦП 11 по отриманню цифрового коду сигналів з виходу датчиків 5-8 та формування послідовності імпульсів управління транзистором 2, промодельованих по тривалості у відповідності з виразом (1). З цією метою у ПЗП зберігаються код програми; розраховані на етапі проектування для різних величин струму навантаження Ін значення коефіцієнтів КU, KI і коефіцієнти Uз, L-1, R=Rвх+Rvt-Rvd. Для зменшення необхідного об'єму ПЗП проведено мінімізацію його адресного простору з урахуванням значень Ін і виділенням діапазону, в межах якого управління не є релейним, тобто 0