FI88232B - Foerfarande foer reglering av utgaongsstroemmen av en dc/dc-omvandlare och dess anvaendning - Google Patents

Description

88232 Säätömenetelmä DC/DC-muuntimen ulostulovirran säätämiseksi ja sen käyttö Förfarande för regiering av utgängsströmmen av 5 en DC/DC-omvandlare och dess användning

Keksinnön kohteena on menetelmä DC/DC-muuntimen ulostulovirran säätämi-10 seksi, jossa menetelmässä energiaa tuottava laite on sovitettu syöttämään energiaa sitä varastoivaan laitteeseen muuntimen välityksellä.

Keksinnön mukaista säätömenetelmää voidaan soveltaa esim. siten, että muunninta syöttää esim. aurinkopaneeli ja kuormana on akku. Tällöin 15 akkuun saadaan syötetyksi aurinkopaneelin maksimitehoa vastaava virta.

Tekniikan tasosta tunnetaan ratkaisu, jossa aurinkopaneelista mitataan virta ja jännite ja maksimiteho lasketaan mikrotietokoneella tai analo-giakertojalla.

20

Tekniikan tasosta tunnetaan myös säätömenetelmä, jossa mitataan erilli-_ . sesti muuntimen ulostulovirta ja sen perusteella muodostetaan säätöjär- . . jestelmälle ohjaussignaali.

25 Epäkohtana tekniikan tasosta tunnetuissa ratkaisuissa on se, että lai-·· teratkaisut muodostuvat suhteellisen kompleksisiksi ja siten hinnaltaan • · kalliiksi.

Keksinnön päämääränä on aikaansaada parannus nykyisin tunnettuihin 30 säätömenetelmiin.

Keksinnön yksityiskohtaisena päämääränä on aikaansaada säätömenetelmä, joka mahdollistaa energiaa tuottavan laitteen ja energiaa varastoivan laitteen säätämisen keskenään siten, että energiaa tuottava laite toi-35 mii mahdollisimman lähellä maksimitehopistettään.

2 88232

Vielä eräänä keksinnön yksityiskohtaisena päämääränä on aikaansaada säätömenetelmä, joka laiteratkaisultaan on mahdollisimman yksinkertainen ja siten hankintahinnaltaan erittäin halpa.

5 Keksinnön päämäärät saavutetaan säätömenetelmällä, jolle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että säätömenetelmässä mitataan muuntimen sisäistä virtaa mittauspiirin avulla, että mittauspiiriltä saatu signaali johdetaan vertailuelimelle suoraan hetkellisarvona sekä viivästettynä arvona, jolloin vertailuelimen ulostulon polariteetti riippuu siitä, 10 kumpi virtasignaaleista on suurempi, ja että vertailuelimen ulostulosignaalilla ohjataan porttipiiriä siten, että porttipiirin ulostulon polariteetti vaihtuu vastakkaiseksi, jos virran derivaatta on negatiivinen viivästysjakson lopussa.

15 Keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutetaan selviä etuja perinteisiin ratkaisuihin verrattuna. Keksinnön mukaisessa säätömenetelmässä ei tarvita hankalaa ja kallista ulostulovirran mittausta. Keksinnön mukainen ratkaisu on yksinkertaisempi verrattuna aikaisemmin käytettyihin mikroprosessoreihin tai analogiakertoimiin. Keksinnön mukaisen ratkai-20 sun yksinkertainen ja halpa päävirtapiiri (tehoelektroniikka) mahdollistaa lisäksi hyvän hyötysuhteen.

Keksinnön mukaisen ratkaisun käyttökohteita ovat mm. akun lataaminen käyttäen energialähteenä esim. aurinkokennoa, tuuligeneraattoria, polt-25 tokennoa tai lämpösähkögeneraattoria.

Keksinnössä on siis esitetty uusi ratkaisu, joka perustuu siihen, että energiavarastona olevan akun jännite voidaan olettaa lyhyellä aikavälillä vakioksi. Toiseksi ulostulovirran mittaamisen sijasta käytetään 30 muuntimen sisäisen virran mittausta, jolloin päästään yksinkertaisempaan tehoastetopologiaan ja mittaukseen. Tällöin akkuun saadaan maksimiteho, kun akkuun syötettävä virta on maksimissaan. Maksimitehon etsintä, ts. kahden suureen mittaus ja kertolasku, muuttuu siis keksinnön mukaisessa ratkaisussa yhden suureen mittaamiseksi, ts. muuntimen si-35 säisen virran mittaamiseksi.

\ 3 88232

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa 1-7 esitettyihin keksinnön eräisiin edullisiin suoritusmuotoihin, joihin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitettu yksinomaan rajoittaa.

5

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista säätömenetelmää lohkokaaviona.

Kuvio 2 esittää graafisesti kuviossa 1 esitettyjä signaaleja ajan funktiona.

10

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisessa säätömenetelmässä käytetyn päävir-tapiirin topologiaa ja virran mittausta periaatekytkentänä.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisessa säätömenetelmässä käytetyn epäsuo-15 ran virranmittauspiirin erästä edullista suoritusmuotoa periaatekytkentänä.

Kuvio 5 esittää kuviossa 4 esitettyjä virta- ja jännitesignaaleja au-kottuneella virralla.

20 *:··· Kuvio 6 esittää kuviossa 4 esitettyjä virta- ja jännitesignaaleja jat- kuvalla virralla.

Kuvio 7 esittää periaatekytkentää, jossa aurinkopaneeli, tuuligeneraat-25 tori, polttokenno tai lämpösähkögeneraattori lataa akkua muuntimen välityksellä.

Keksinnön mukainen säätömenetelmä on kuvattu kuvioissa 1-3.

30 Muuntimen 11 muuntosuhdetta säädetään jatkuvasti ohjaussignaalilla b, joka saadaan porttipiiriltä 12. Muuntosuhteen muutoksen suunta on verrannollinen ohjaussignaalin b polariteettiin. Samanaikaisesti mitataan muuntimen 11 sisäistä virtaa Ia kuvion 3 mukaisesti. Tästä virrasta muodostetaan muuntimen 11 ulostulovirran Iout estimaatti mittauselimellä 35 13. Saatu signaali I johdetaan vertailuelimelle 14 sekä suoraan hetkel- lisarvona Ih että viivästettynä arvona Iv. Viivästys voidaan toteuttaa 4 88232 esim. RC-viivepiirillä tai näytteenottoperiaatteella 15. Vertailuelimen 14 ulostulon a polariteetti riippuu siitä, kumpi virtasignaaleista Ih,Iv on suurempi. Tämä signaali a ohjaa porttipiiria 12 siten, että porttipiirin 12 ulostulon b polariteetti vaihtuu vastakkaiseksi, jos 5 virran derivaatta on negatiivinen viivästysjakson lopussa.

Mikäli hetkellisarvo Ih on suurempi kuin viivästetty arvo Iv, eli ulos-tulovirta Iout kasvaa, vertailuelimen 14 ja porttipiirin 12 ulostulon polariteetti pysyy ennallaan ja muuntimen 11 muuntosuhdetta säädetään 10 samaan suuntaan kuin aiemminkin. Vasta kun hetkellisvirta Ih muuttuu pienemmäksi kuin viivästetty virta Iv (ulostulovirta Iout pienenee), vaihtuu vertailuelimen 14 ulostulon a polariteetti ja muuntimen 11 muuntosuhdetta aletaan säätää vastakkaiseen suuntaan. Prosessi toistuu aiheuttaen ulostulovirran Iout oskilloimisen maksimiarvon ympärillä 15 kuten kuviossa 2 on esitetty.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen säätömenetelmän päävirtapii-rin topologia sekä virran mittaus. Kytkintä on merkitty kirjaimella S, diodia kirjaimella D, kapasitanssia kirjaimella C ja induktanssia kir-20 jaimella L.

Kuviossa 4 esitetty virranmittauspiiri muodostuu päävirtapiirin kytkimestä S1( diodista D ja induktanssista L kuten laskevassa (step-down) hakkurissa kuitenkin siten, että komponenttien ja jännitteiden napai-25 suudet ovat vastakkaiset verrattuna tavanomaiseen kytkentään.

Kuvion 4 mukaisella virranmittauspiirillä saavutetaan mm. seuraavat edut. Ensinnäkin virran mittaus ja kytkimen S! ohjaus on samassa potentiaalissa, jolloin ohjauspiiri yksinkertaistuu, joka puolestaan alentaa 30 mittauspiirin hintaa olennaisesti. Toiseksi virran mittauksessa voidaan käyttää kytkimen SL sisäistä resistanssia, jonka johdosta erillistä mittausvastusta ei tarvita. Tämän ansiosta häviöt pienenevät ja hyötysuhde kasvaa. Kolmanneksi kytkin voidaan toteuttaa N-tyypin fetil-lä tai NPN-transistorilla, Jotka ovat halvempia kuin P-Fet tai 35 PNP-transistori samoilla virta- Ja jännitekestoisuusarvoilla.

5 88232

Kuviossa 4 esitetyn virranmittauspiirin perusidea on seuraava.

Ulostulovirran keskiarvo iL voidaan laskea mittaamalla kytkimen S, läpi kulkeva virta, jos tunnetaan kytkimen S, johtoaika t,, nolladiodin D 5 johtoaika tD ja koko jakson aika T.

Menetelmä perustuu siihen, että induktanssin L virta kasvaa lineaarisesti kytkimen S, johtaessa ja pienenee lineaarisesti diodin D johtaessa, jolloin keskimääräinen kuormavirta saadaan yhtälöstä (ajan nolla-10 kohta on kytkentähetki) i T i C‘ i,+td TL--iL(t)dt--iL(t)dt + - iL(t)dt (1)

15 tJ tJ tJ

0 0 t.

Koska virran käyrämuoto kasvaa tai pienenee lineaarisesti virran maksi-20 miarvon 1,^ ja minimiarvon välillä, saadaan yhtälöstä (1) — *-· t-d : .·. iL--(Wita)/2 + — (1,^+1,^)/2 : 25 τ τ t. + td --- (1,+1,^)/2 (2)

30 T

Tämä voidaan kirjoittaa myös muotoon 35 c.

· __ t. + td 1 Λ iL--— 1 iL(t)dt (3) : '· 40 τ t. j .··, o jossa voidaan merkitä 45 6 88232 t* + 5 k2 - - (4)

T

10 t, ja Xi - — J iL(t)dt (5) 0 15

Kuviossa 4 esitetyn virranmittauspiirin tekninen toteutus on seuraava.

Signaali Ui on verrannollinen kytkimen S! läpi kulkevaan virtaan is ja 20 kytkimen S: johtaessa myös kuormavirtaan iL.

Analogiakytkimen S2 ja integroivan RC-piirin R1C1 muodostaman kytkennän ulostulosta u3 saadaan yhtälön (3) integraaliosaan x1 verrannollinen signaali 25 t, 1 Γ u3 ~ — I u^t 30 * 0

Operaatiovahvistin opi toimii jänniteseuraajana (u* u3) ja estää RC-piirin R1C1 kuormittumisen.

35

Analogiakytkin S3 ja RC-piiri R2G2 toteuttavat yhtälössä (3) olevan kertolaskun (t,+td)/T: llä.

t.+td 40 1 Γ t, + td u6 » — I u*dt * - u4

T J T

0 7 38232

Operaatiovahvistin op2 toimii jänniteseuraajana. Komparaattori compl toimii nolladiodin D virran indikaattorina perustuen diodin D yli olevan jännitteen napaisuuden tutkimiseen (diodin D läpi ei kulje virtaa 5 jos jännite u^O). Komparaattorista compl saatava signaali u, - "1", kun diodi D johtaa, ts. t,<t^t,+td. Tehokytkimen S, ohjaussignaali u, ilmaisee suoraan kytkimen läpi kulkevan virran (jos ja kun u^CUjJ .

Kuormavirta iL on nollasta poikkeava, jos joko diodin D tai kytkimen S, 10 virta on nollasta poikkeava. Tämä on toteutettu tai-elimellä ori, jonka ulostulojännite u10 - "1", ajan 0<t<t,+td ja nolla ainoastaan virran aukottuessa aikavälillä t,+td<t<T (jatkuvalla virralla t(+td - T) .

Kuviossa 5 on esitetty virrat ja jännitteet aukottuneella virralla ja 15 vastaavasti kuviossa 6 virrat ja jännitteet jatkuvalla virralla. Kuvioissa 5 ja 6 on tehty seuraavat oletukset sekä signaaleja on merkitty seuraavasti.

Oletukset: ....: 20 : - uB ja oletetaan tasaisiksi (¾ > υΜ) - häviöitä ei oteta huomioon lukuunottamatta diodin kuynnysjännitettä ud - RC-piirin aikavakiot ovat suuret.

* . . . ‘ I

25 Signaalit: - u,: kytkimen S, mitattu virran hetkellisarvo - Uj: RC-piirin R,C, sisäänmenojännite - u,: RC-piirin R,C, ulostulojännite 30 - u4: RC-piirin R,C, ulostulojännite buff eroituna (-u,) - u5: RC-piirin RjC2 sisäänmenojännite - Uj: RC-piirin RiCJ ulostulojännite ·’ - u,: RC-piirin RjCj ulostulojännite bufferoituna (-u,) - Ug: tehokytkimen S, ohjausjännite ja samalla signaali (ip>0) —35 - u,: nolladiodin D virran tunnistus (i^O) - u10: induktanssin L virran tunnistus (iL>0) 8 88232

Kuviossa 7 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaisen säätömenetelmän sovellutus, jossa aurinkopaneeli 16 lataa akkua 17 muuntimen 11 välityksellä. Aurinkopaneelin 16 sijasta voidaan luonnollisesti käyttää 5 tuuligeneraattoria, polttokennoa, lämpösähkögeneraattoria jne.

Edellä on esitetty ainoastaan eräitä keksinnön edullisia suoritusmuotoja ja alan ammattimiehelle on selvää, että niihin voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnölle) lisen ajatuksen puitteissa.

i

Claims (8)

9 88232

1. Menetelmä DC/DC-muuntimen (11) ulostulovirran (Iout) säätämiseksi, jossa menetelmässä energiaa tuottava laite (16) on sovitettu syöttämään 5 energiaa sitä varastoivaan laitteeseen (17) muuntimen (11) välityksellä, tunnettu siitä, että säätömenetelmässä mitataan muuntimen (11) sisäistä virtaa (I,) mittauspiirin (13) avulla, että mittauspii-riltä (13) saatu signaali (I) johdetaan vertailuelimelle (14) suoraan hetkellisarvona (Ih) sekä viivästettynä arvona (Iv), jolloin vertailu-10 elimen (14) ulostulon (a) polariteetti riippuu siitä, kumpi virtasig-naaleista (Ih,lv) on suurempi, ja että vertailuelimen (14) ulostulosignaalilla (a) ohjataan porttipiiriä (12) siten, että porttipiirin (12) ulostulon (b) polariteetti vaihtuu vastakkaiseksi, jos virran derivaatta on negatiivinen viivästysjakson lopussa. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vertailuelimelle (14) hetkellisarvona johdetun virran (Ih) ollessa suurempi kuin virran viivästetty arvo (Iv), toisin sanoen muuntimen (11) : ulostulovirran (Iout) kasvaessa, vertailuelimen (14) ja porttipiirin 20 (12) ulostulon polariteetti pysyy ennallaan ja muuntimen (11) muunto- : suhdetta säädetään samaan suuntaan kuin aikaisemminkin.

..." 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että virran hetkellisarvon (Ih) muuttuessa pienemmäksi kuin virran 25 viivästetty arvo (Iv), toisin sanoen muuntimen (11) ulostulovirran (Iout) pienentyessä, vertailuelimen (14) ulostulon (a) polariteetti vaihtuu ja muuntimen (11) muuntosuhdetta aletaan säätää vastakkaiseen suuntaan. . : : 30

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muuntimen (11) ulostulovirta (Iout) oskilloi maksimiarvon ympärillä.

5. Jonkin patenttivaatimuksien 1-4 mukaisen säätömenetelmän käyttö, 35 tunnettu siitä, että aurinkopaneeli (16) on sovitettu lataamaan akkua (17) muuntimen (11) välityksellä. 10 88232

6. Jonkin patenttivaatimuksien 1-4 mukaisen säätömenetelmän käyttö, tunnettu siitä, että tuuligeneraattori (16) on sovitettu lataamaan akkua (17) muuntimen (11) välityksellä. 5

7. Jonkin patenttivaatimuksien 1-4 mukaisen säätömenetelmän käyttö, tunnettu siitä, että polttokenno (16) on sovitettu lataamaan akkua (17) muuntimen (11) välityksellä.

8. Jonkin patenttivaatimuksien 1-4 mukaisen säätömenetelmän käyttö, tunnettu siitä, että lämpösähkögeneraattori (16) on sovitettu lataamaan akkua (17) muuntimen (11) välityksellä. 11 38232