RU2736058C1

RU2736058C1 - Controlled key voltage converter

Info

Publication number: RU2736058C1
Application number: RU2019142311A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Александров; Андрей Павлович Буянов
Original assignee: Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-11-11

Abstract

FIELD: conversion equipment.

SUBSTANCE: invention relates to conversion equipment, namely to secondary power sources with controlled output voltage for power-consuming equipment, including pulse modes of operation with capacitive energy storage. For this purpose, a control key voltage converter is proposed, comprising a phase-pulse converter connected by an input to a control bus, and direct and inverse outputs of master and slave channels to corresponding inputs of key power amplifier, power supply terminals of which are connected to power supply buses, and outputs through matching transformer with inputs of synchronous rectifier, as well as low-pass filter, which output is connected to output voltage bus and through voltage feedback circuit is connected to input of phase-pulse converter compensation, wherein it additionally includes current sensor, resolution circuit, relay element, current feedback circuit and capacitance accumulator.

EFFECT: high reliability of operation when expanding range of capabilities of using a controlled key voltage converter.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания с регулируемым выходным напряжением, а также в телекоммуникационном оборудовании и гидроакустической технике для электропитания энергоемких устройств, в том числе через емкостные накопители энергии.The invention relates to converting equipment and can be used in secondary power supplies with adjustable output voltage, as well as in telecommunications equipment and hydroacoustic equipment for power supply of energy-intensive devices, including through capacitive energy storage.

Известны разнотипные ключевые преобразователи напряжения (КПН) с гальванической развязкой [1], выполненные на основе однотактных, полумостовых и мостовых схем ключевых усилителей мощности (КУМ) с трансформаторным выходом, нагруженным на диодный выпрямитель. К основным недостаткам таких устройств относится ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения и пониженная энергетическая эффективность, особенно при низком выходном напряжении и большом выходном токе, что обусловлено остаточными напряжениями диодов выходного выпрямителя.Known different types of key voltage converters (CPT) with galvanic isolation [1], made on the basis of single-ended, half-bridge and bridge circuits of key power amplifiers (KUM) with a transformer output, loaded on a diode rectifier. The main disadvantages of such devices include a limited range of output voltage regulation and reduced energy efficiency, especially at low output voltage and high output current, which is due to the residual voltages of the output rectifier diodes.

Расширить диапазон регулирования позволяет использование мостовой схемы с фазо-импульсной модуляцией (ФИМ), где управление двумя каналами КУМ (две стойки мостовой схемы) осуществляется симметричными импульсными сигналами типа «меандр», сдвинутыми относительно друг друга на время длительности импульса результирующего напряжения. Такая схема КПН [2] позволяет обеспечить широкий диапазон изменения выходного напряжения при работе на согласованную нагрузку с возможностью реализации квазирезонансных траекторий переключений мощных полевых транзисторов в составе оконечного каскада КУМ, что уменьшает динамические потери энергии. Однако основные потери энергии на остаточных напряжениях диодов выходного выпрямителя препятствуют достижению высокого КПД. Так, например, при выходном напряжении 24 В и токе нагрузки 50 А, потери в мостовой схеме выпрямителя могут превышать 100 Вт, что не позволяет получить КПД устройства-аналога более чем 90%.The use of a bridge circuit with a phase-pulse modulation (PPM) allows to expand the control range, where the control of two channels of the CUM (two struts of the bridge circuit) is carried out by symmetric pulse signals of the "meander" type, shifted relative to each other by the duration of the resulting voltage pulse. Such a CPT scheme [2] allows to provide a wide range of output voltage variation when operating on a matched load with the possibility of implementing quasi-resonant switching paths of powerful field-effect transistors as part of the final stage of the AFB, which reduces dynamic energy losses. However, the main energy losses at the residual voltages of the diodes of the output rectifier impede the achievement of high efficiency. So, for example, with an output voltage of 24 V and a load current of 50 A, the losses in the rectifier bridge circuit can exceed 100 W, which does not allow obtaining the efficiency of an analog device of more than 90%.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является управляемый преобразователь напряжения [3], выполненный по двухканальной схеме с фазо-импульсной модуляцией, где для уменьшения потерь энергии применен синхронный выпрямитель. Устройство - прототип содержит фазо-импульсный преобразователь (ФИП), подключенный входом к шине управления, а прямыми и инверсными выходами ведущего и ведомого каналов соединенный с прямым и инверсным входами ведущего и ведомого каналов ключевого усилителя мощности, подключенных выводами электропитания параллельно между шинами напряжения электропитания, а выходом - к входам узла трансформаторного согласования, соединенного выходом через синхронный выпрямитель к входу фильтра нижних частот, выход которого соединен с шиной выходного напряжения. В свою очередь прямой и инверсный входы управления синхронного выпрямителя подключены к прямому и инверсному выходам ведущего канала фазо-импульсного преобразователя, вход компенсации которого соединен через цепь обратной связи по напряжению к выходу фильтра нижних частот.The closest to the proposed invention is a controlled voltage converter [3], made according to a two-channel circuit with phase-pulse modulation, where a synchronous rectifier is used to reduce energy losses. The prototype device contains a phase-to-pulse converter (FIP) connected by the input to the control bus, and by direct and inverse outputs of the master and slave channels connected to the direct and inverse inputs of the master and slave channels of the key power amplifier, connected by the power supply terminals in parallel between the power supply voltage buses, and the output - to the inputs of the transformer matching unit, connected by the output through a synchronous rectifier to the input of the low-pass filter, the output of which is connected to the output voltage bus. In turn, the direct and inverse control inputs of the synchronous rectifier are connected to the direct and inverse outputs of the leading channel of the phase-pulse converter, the compensation input of which is connected through a voltage feedback circuit to the output of the low-pass filter.

В состав структурной схемы устройства прототипа, приведенной на фиг. 1, входят фазо-импульсный преобразователь (ФИП) 1, ключевой усилитель 2 мощности (КУМ), трансформатор (TP) 3, синхронный выпрямитель (ВУ) 4, фильтр 5 нижних частот (ФНЧ), цепь 6 обратной связи по напряжению (ОСН).The block diagram of the prototype device shown in FIG. 1, includes a phase-to-pulse converter (FIP) 1, a key power amplifier 2 (KUM), a transformer (TP) 3, a synchronous rectifier (VU) 4, a low-pass filter 5 (LPF), a voltage feedback circuit 6 (OSN) ...

Особенностью реализации синхронного выпрямителя 4 является реализация в его составе мостовой схемы выпрямления на сильноточных полевых транзисторах, управление которыми осуществляется попарно от прямого и инверсного сигналов ведущего канала ФИМ с задержкой фронта включения. Оконечный каскад КУМ 2 также выполнен на мостовой схеме на мощных полевых транзисторах, параметры которых должны соответствовать напряжению электропитания Е и необходимой выходной мощности устройства. Особенностью мощных полевых транзисторов КУМ и ВУ является наличие собственных обратных диодов, остаточное напряжение которых шунтируется открытым каналом сток-исток при включении транзистора. Применительно к ВУ 4 такое шунтирование резко (не менее чем в 2-3 раза) уменьшает падение напряжения на элементах выпрямителя, что обеспечивает принципиальное уменьшение потерь энергии и выгодно отличает устройство-прототип от известных технических аналогов.A feature of the implementation of the synchronous rectifier 4 is the implementation in its composition of the bridge rectification circuit based on high-current field-effect transistors, which are controlled in pairs from the direct and inverse signals of the FIM leading channel with a turn-on front delay. The final stage KUM 2 is also made on a bridge circuit with powerful field-effect transistors, the parameters of which must correspond to the supply voltage E and the required output power of the device. A feature of powerful field-effect transistors KUM and VU is the presence of their own reverse diodes, the residual voltage of which is shunted by the open drain-source channel when the transistor is turned on. With regard to VU 4, such shunting sharply (at least 2-3 times) reduces the voltage drop across the rectifier elements, which ensures a fundamental reduction in energy losses and distinguishes the prototype device from known technical analogues.

Вместе с тем, включение транзисторов ВУ 4 не препятствует замыканию инверсного тока от нагрузки через фильтр нижних частот 5 и оконечный каскад КУМ 2 непосредственно в шины электропитания Е. Выделенный фактор существенно ухудшает надежность действия устройства-прототипа, особенно при работе на нагрузку, включающую емкостной накопитель энергии или аккумулятор в условиях динамического изменения напряжения электропитания, что может приводить к неуправляемому нарастанию обратного тока через элементы оконечных каскадов КУМ 2 и ВУ 4.At the same time, the inclusion of transistors VU 4 does not prevent the inverse current from the load from closing through the low-pass filter 5 and the final stage KUM 2 directly into the power supply bus E. The selected factor significantly impairs the reliability of the prototype device, especially when operating on a load that includes a capacitive storage energy or a battery under conditions of a dynamic change in the power supply voltage, which can lead to an uncontrolled increase in the reverse current through the elements of the final stages KUM 2 and VU 4.

Выделенный недостаток, связанный с существенным понижением надежности работы, сужает область применения устройства-прототипа и практически ограничивает возможность ее использования в системах электропитания гидроакустической аппаратуры. В таких системах, как правило, требуется гарантированное электропитание потребителей от двух фидеров изделия, включая обеспечение импульсных режимов, что достигается параллельным включением двух КПН, нагруженных на емкостной накопитель энергии. При этом имеют место динамические изменения напряжения сети электропитания объекта, включая резкий спад уровня электропитания на время до 0,1 сек. Применение устройства-прототипа из-за угрозы протекания практически неограниченного обратного тока в таких условиях затруднено и требует обеспечения значительных запасов по параметрам предельных режимов элементов для безаварийной работы.The highlighted drawback associated with a significant decrease in the reliability of operation narrows the scope of the prototype device and practically limits the possibility of its use in power supply systems for hydroacoustic equipment. In such systems, as a rule, a guaranteed power supply of consumers from two feeders of the product is required, including the provision of pulse modes, which is achieved by parallel connection of two CPN, loaded on a capacitive energy storage. In this case, there are dynamic changes in the voltage of the power supply network of the object, including a sharp drop in the level of power supply for a time of up to 0.1 sec. The use of the prototype device, due to the threat of an almost unlimited reverse current flow under such conditions, is difficult and requires the provision of significant reserves in terms of the parameters of the limiting modes of the elements for trouble-free operation.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы при расширении области возможностей применения управляемого ключевого преобразователя напряжения.The objective of the present invention is to improve the reliability of operation while expanding the scope of application of a controlled key voltage converter.

Для решения поставленной задачи в известный управляемый ключевой преобразователь напряжения, содержащий фазо-импульсный преобразователь, подключенный входом к шине управления, а прямым и инверсным выходами ведущего и ведомого каналов к соответствующим входам ключевого усилителя мощности, выводы электропитания которого соединены к шинам напряжения электропитания, а выходы через согласующий трансформатор с входами синхронного выпрямителя, а также фильтр нижних частот, выход которого соединен с шиной выходного напряжения и через цепь обратной связи по напряжению - с входом компенсации фазо-импульсного преобразователя, введены новые признаки, а именно в него введены датчик тока, схема разрешения, релейный элемент, схема обратной связи по току и емкостной накопитель, включенный между шиной выходного напряжения и выходом фильтра нижних частот, вход которого подключен через датчик тока к выходу синхронного выпрямителя, прямой и инверсный входы которого соединены с первым и вторым выходом схемы разрешения, при этом первый и второй входы схемы разрешения подключены к первому и второму выходу ведущего канала фазо-импульсного преобразователя, а вход разрешения подключен к выходу релейного элемента, вход которого подключен через цепь обратной связи по току к выходу датчика токаTo solve the problem, into a well-known controlled key voltage converter containing a phase-to-pulse converter connected by the input to the control bus, and by the direct and inverse outputs of the master and slave channels to the corresponding inputs of the key power amplifier, the power supply terminals of which are connected to the power supply voltage buses, and the outputs through a matching transformer with the inputs of a synchronous rectifier, as well as a low-pass filter, the output of which is connected to the output voltage bus and through a voltage feedback circuit to the compensation input of the phase-to-pulse converter, new features have been introduced, namely a current sensor, a circuit resolutions, a relay element, a current feedback circuit and a capacitive storage connected between the output voltage bus and the output of the low-pass filter, the input of which is connected through a current sensor to the output of a synchronous rectifier, the direct and inverse inputs of which are connected to the first and second outputs of the circuits s permission, while the first and second inputs of the permission circuit are connected to the first and second outputs of the leading channel of the phase-to-pulse converter, and the permission input is connected to the output of the relay element, the input of which is connected through the current feedback circuit to the output of the current sensor

Техническим результатом от введения дополнительных блоков и связей является повышение надежности функционирования управляемого КПН в условиях работы на емкостной накопитель энергии и динамических изменений напряжения электропитания посредством исключения неограниченных обратных токов, что достигается отключением режима синхронного выпрямления и переходом на режим диодной проводимости при уменьшении выходного тока до порога срабатывания релейного элемента для предотвращения обратного контура замыкания.The technical result from the introduction of additional blocks and connections is to increase the reliability of the controlled CPT operation under conditions of operation on a capacitive energy storage and dynamic changes in the power supply voltage by eliminating unlimited reverse currents, which is achieved by disabling the synchronous rectification mode and switching to the diode conduction mode when the output current decreases to the threshold actuation of the relay element to prevent the reverse loop closure.

Техническим результатом от введения датчиков тока, схемы разрешения, емкостного накопителя и релейного элемента в сочетании с совокупностью вновь введенных связей является повышение надежности ключевого преобразователя напряжения, особенно при резких изменениях напряжения электропитания в условиях работы на нагрузку с импульсным характером изменения тока потребления, посредством исключения протекания неуправляемого обратного тока, наличие которого в ключевом регуляторе напряжения - прототипа может приводить к нарушению функционирования и выходу из строя элементов оконечного каскада выпрямителя и ключевого усилителя мощности.The technical result from the introduction of current sensors, a resolution circuit, a capacitive storage and a relay element in combination with a set of newly introduced connections is to increase the reliability of the key voltage converter, especially with sharp changes in the power supply voltage under conditions of operation on a load with a pulsed character of a change in consumption current, by eliminating leakage uncontrolled reverse current, the presence of which in the prototype key voltage regulator can lead to malfunction and failure of the elements of the final stage of the rectifier and the key power amplifier.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена блок-схема прототипа, на фиг. 2, приведена функциональная структурная схема заявляемого технического решения, на фиг. 3 - функциональная реализация основных узлов управляемого КПН, на фиг. 4 - иллюстрация временных диаграмм сигналов, поясняющих его работу.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-4, where in FIG. 1 shows a block diagram of the prototype; FIG. 2, a functional block diagram of the proposed technical solution is shown; FIG. 3 - functional implementation of the main units of the controlled CPN, Fig. 4 is an illustration of timing diagrams of signals to explain its operation.

Предлагаемый управляемый ключевой преобразователь напряжения (фиг. 2) содержит фазо-импульсный преобразователь (ФИП) 1, ключевой усилитель 2 мощности (КУМ), согласующий трансформатор (TP) 3, синхронный выпрямитель (ВУ) 4, датчик тока (DT) 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, емкостной накопитель (ЕН) 8, цепь обратной связи 6 по напряжению (ОСН), цепь 9 обратной связи по току (ОСТ), релейный элемент (РЭ) 10, схему 11 разрешения (CP).The proposed controlled key voltage converter (Fig. 2) contains a phase-to-pulse converter (FIP) 1, a key power amplifier 2 (KUM), a matching transformer (TP) 3, a synchronous rectifier (VU) 4, a current sensor (DT) 7, a filter low frequencies (LPF) 5, capacitive storage (EH) 8, voltage feedback circuit 6 (OCH), current feedback circuit 9 (OST), relay element (RE) 10, resolution circuit 11 (CP).

Ключевой усилитель 2 (фиг. 3) выполняется по мостовой схеме на мощных полевых транзисторах VT1…VT4, соединенных попарно-последовательно в полумостовой схемы 2.1, 2.2, включенных параллельно между шинами +Е, -Е напряжения электропитания. Входы транзисторов являются входами КУМ 2, выходы которого соединены с выходами полумостовых схем.The key amplifier 2 (Fig. 3) is carried out on a bridge circuit on powerful field-effect transistors VT1 ... VT4, connected in pairs in series in a half-bridge circuit 2.1, 2.2, connected in parallel between the buses + E, -E of the power supply voltage. The inputs of the transistors are the inputs of the KUM 2, the outputs of which are connected to the outputs of the half-bridge circuits.

Синхронный выпрямитель 4 также выполняется в виде мостовой схемы на сильноточных полевых транзисторах VT5…VT8 и, в соответствии с устройством-прототипом, дополнен схемами задержки 4.3, 4.4 и драйверами 4.1, 4.2 импульсных сигналов. В результате достигается управление транзисторов синхронного выпрямителя без сквозных токов с транзисторами КУМ 2.Synchronous rectifier 4 is also made in the form of a bridge circuit on high-current field-effect transistors VT5 ... VT8 and, in accordance with the prototype device, is supplemented with delay circuits 4.3, 4.4 and drivers 4.1, 4.2 of pulse signals. As a result, the control of transistors of a synchronous rectifier without through currents with KUM 2 transistors is achieved.

Фазо-импульсный преобразователь выполняется по известным правилам, изложенным в [1, 4], и обеспечивает формирование прямых и инверсных импульсных сигналов V_1.1, V_1.2 и V_2.1, V_2.2 типа «меандр», сдвинутых во времени на величину t_и, определяющую длительность импульсов результирующего импульсного напряжения V на выходах мостовой схемы КУМ 2. Причем начало фронта импульсов V соответствует фронту импульсов V_1.1, V_1.2 ведущего канала ФИП 1 (фиг. 4).A phase-to-pulse converter is performed according to the well-known rules set forth in [1, 4], and provides the formation of direct and inverse pulse signals V _1.1 , V _1.2 and V _2.1 , V _2.2 of the "meander" type, shifted in time by the value t _and , which determines the duration of the pulses of the resulting pulse voltage V at the outputs of the bridge circuit KUM 2. Moreover, the beginning of the front of the pulses V corresponds to the front of the pulses V _1.1 , V _{1.2 of the} leading channel FIB 1 (Fig. 4).

В отличие от устройства-прототипа сигналы V_1.1, V_1.2 поступают на входы управления ВУ 4 через схему разрешения CP 11, подключенную входом разрешения к выходу релейного элемента РЭ 10, формирующего сигнал V_РЭ. Схема разрешения может быть реализована на простейших логических элементах «совпадения».In contrast to the prototype device, the signals V _1.1 , V _1.2 are fed to the control inputs of the VU 4 through the CP 11 permission circuit connected by the permission input to the output of the relay element RE 10, which generates the signal V _RE . The resolution scheme can be implemented on the simplest logic gates of "coincidence".

Согласующий трансформатор 3 обеспечивает гальваническую развязку и согласование уровней напряжения Е электропитания и, как правило, низкого уровня выходного напряжения U_н на высокой частоте переключений КУМ 2 (ƒ≥50 кГц). При этом достигается квазирезонансная траектория переключений для минимизации динамических потерь энергии.The matching transformer 3 provides galvanic isolation and matching of the voltage levels E of the power supply and, as a rule, the low level of the output voltage U _n at a high switching frequency KUM 2 (ƒ≥50 kHz). In this case, a quasi-resonant switching trajectory is achieved to minimize dynamic energy losses.

Датчик тока 7, с учетом сильноточного выхода синхронного выпрямителя 4 может быть реализован на маломощном датчике тока, например, датчик Холла, обеспечивающим формирование напряжения U_DT пропорционально выходному току.The current sensor 7, taking into account the high-current output of the synchronous rectifier 4, can be implemented on a low-power current sensor, for example, a Hall sensor, providing the formation of a voltage U _DT proportional to the output current.

Фильтр 5 нижних частот должен содержать дроссель L и конденсатор С, параметры которых переделяются по известным правилам [1] с учетом частоты переключений выходного напряжения и номинальной мощности. При необходимости электропитания аппаратуры с импульсным характером потребления выходная емкость ФНЧ 5 может быть дополнена емкостным накопителем, величина которого может составлять 1…10 Ф.The low-pass filter 5 must contain a choke L and a capacitor C, the parameters of which are redistributed according to the well-known rules [1], taking into account the switching frequency of the output voltage and rated power. If it is necessary to supply power to equipment with a pulsed nature of consumption, the output capacitance of the LPF 5 can be supplemented with a capacitive storage, the value of which can be 1 ... 10 F.

Цепь ОСН 6 обеспечивает передачу выходного напряжения ФНЧ 5 на вход компенсации ФИП 1 с заданным масштабом, что достигается в простейшем случае применением резистивного делителя. Сигнал обратной связи по напряжению используется для реализации компенсационного способа стабилизации выходного напряжения на уровне пропорционально напряжению U₀, поступающему на вход ФИП 1.The OSN 6 circuit provides the transmission of the output voltage of the LPF 5 to the compensation input of the FIP 1 with a given scale, which is achieved in the simplest case by using a resistive divider. The voltage feedback signal is used to implement a compensation method for stabilizing the output voltage at a level proportional to the voltage U ₀ supplied to the FIP 1 input.

Цепь ОСТ 9 также может быть выполнена на резистивном делителе, либо, при необходимости, с использованием операционного усилителя для согласованной передачи сигнала с датчика тока DT 7 на вход РЭ 10 в виде напряжения U_DT, пропорционально выходному току ВУ-4.The OST 9 circuit can also be performed on a resistive divider, or, if necessary, using an operational amplifier for coordinated signal transmission from the DT 7 current sensor to the OM 10 input in the form of a voltage U _DT , in proportion to the VU-4 output current.

Релейный элемент может быть реализован на компараторе с петлей положительной обратной связи, определяющей верхнюю +U_РЭ и нижнюю -U_РЭ границы срабатывания РЭ-10. При понижении U_DT ниже границы срабатывания выходное напряжение V_p устанавливается на нижнем уровне. Обратное восстановление верхнего уровня РЭ происходит при увеличении U_DT до верхней границы срабатывания +U_РЭ. Указанное обстоятельство используется для блокировки прохождения сигналов управления от ведущего канала ФИП на входы управления ВУ-4 при малых уровнях выходного тока прямой направленности:The relay element can be implemented on a comparator with a positive feedback loop, which determines the upper + U _RE and the lower -U _{RE of} the RE-10 response limit. When U _DT drops below the pickup limit, the output voltage V _{p is} set at a lower level. The reverse restoration of the upper level of the RE occurs when U _DT increases to the upper limit of the operation + U _RE . This circumstance is used to block the passage of control signals from the leading FIB channel to the control inputs of the VU-4 at low levels of the output direct current:

Тем самым предотвращается обратное протекание тока от емкостного накопителя ЕН 8 в шины силового электропитания КУМ 2.This prevents the reverse flow of current from the capacitive storage EH 8 into the power supply bus of the KUM 2.

Процесс замыкания обратного тока, который может приводить к выходу из строя устройства-прототипа, осуществляется через собственные обратные диоды полевых транзисторов VT1…VT4 в составе КУМ 2 и VT5…VT8 в составе ВУ 4, которые являются неотъемлемой частью полупроводниковых структур мощных полевых транзисторов.The process of closing the reverse current, which can lead to the failure of the prototype device, is carried out through its own reverse diodes of field-effect transistors VT1 ... VT4 as part of KUM 2 and VT5 ... VT8 as part of VU 4, which are an integral part of semiconductor structures of powerful field-effect transistors.

В отличие от устройства-прототипа в предлагаемом устройстве (фиг. 2) такие аварийные процессы полностью исключены за счет введения датчика тока DT 7, схемы разрешения CP 11, обратной связи по току ОСТ 9 и релейного элемента РЭ 10. Вновь введенные элементы обеспечивают отключение режима синхронного выпрямления и перевода устройства в режим диодной проводимости при малых уровнях выходного тока.In contrast to the prototype device in the proposed device (Fig. 2), such emergency processes are completely excluded due to the introduction of the current sensor DT 7, the CP 11 resolution circuit, the OST 9 current feedback and the RE 10 relay element. synchronous rectification and transfer of the device to the diode conduction mode at low output current levels.

Заявляемый управляемый КПН работает следующим образом. В номинальном режиме функционирование обеспечивается таким же образом, как и в устройстве прототипе, при выполнении условия однонаправленного входного тока:The claimed managed CIT works as follows. In the nominal mode, operation is ensured in the same way as in the prototype device, when the condition of unidirectional input current is met:

Соответственно сигналы V_1.1, V_1.2 беспрепятственно проходят на входы управления ВУ 4. В результате транзисторы VT5, VT8 и VT6, VT7 синхронного выпрямителя включаются на соответствующие полупериоды переключений, шунтируя открытыми каналами проводимости обратные диоды (фиг. 4). Тем самым минимизируются остаточные напряжения на элементах ВУ 4, чем достигается уменьшение статических потерь энергии.Accordingly, the signals V _1.1 , V _1.2 freely pass to the control inputs of the VU 4. As a result, the transistors VT5, VT8 and VT6, VT7 of the synchronous rectifier are switched on for the corresponding switching half-periods, shunting the reverse diodes with open conduction channels (Fig. 4). Thus, the residual stresses on the elements of the VU 4 are minimized, thereby reducing the static energy losses.

В случае динамических процессов, связанных с резким уменьшением напряжения электропитания, ФИП 1 переходит в режим полной модуляции для компенсации изменения выходного напряжения. При этом амплитуда выходного напряжения V на выходе КУМ уменьшается, что приводит к спаду выходного тока I_н выпрямителя. Далее этот процесс в устройстве-прототипе может приводить к изменению направления тока синхронного выпрямителя через открытые транзисторы синхронного выпрямителя и нарастания его абсолютного значения до предельного тока I_кз (пунктир зависимости I_н на фиг. 4), что приводит к выходу из строя транзисторов КУМ 2 и ВУ 4. Выделенное обстоятельство объясняется разрядом емкости ЕН-8 в шины электропитания Е КУМ-2.In the case of dynamic processes associated with a sharp decrease in the power supply voltage, FIB 1 goes into full modulation mode to compensate for changes in the output voltage. In this case, the amplitude of the output voltage V at the output of the CUM decreases, which leads to a drop in the output current I _{n of the} rectifier. Further, this process in the prototype device can lead to a change in the direction of the current of the synchronous rectifier through the open transistors of the synchronous rectifier and an increase in its absolute value to the limiting current I _kz (the dashed line of the dependence I _n in Fig. 4), which leads to the failure of the transistors KUM 2 and VU 4. The highlighted circumstance is explained by the discharge of the EH-8 capacity into the power supply bus E KUM-2.

Именно в таких условиях реализуется технический результат от внедрения предполагаемого устройства. При спаде выходного тока до установленного малого значения выполняется условие (1), что приводит к отключению транзисторов VT5…VT8 синхронного выпрямителя. Таким образом, сохраняется только диодная проводимость элементов ВУ 4. Соответственно устраняется сама возможность обратного протекания тока от емкостного накопителя ЕН через ВУ 4, TP 3 и транзисторы VT1…VT4 в шины напряжения электропитания. В случае длительного спада напряжения Е обеспечивается естественный разряд энергии, запасенных в ЕН 8 в нагрузку. При восстановлении напряжения Е выходной ток ВУ-4 в прямом направлении возрастает и, при выполнении условия (2), происходит переключение РЭ 10 в нормальное состояние, что приводит к переходу ВУ 4 в номинальный режим работы с замыканием выходного тока через поочередно открываемые транзисторы VT5, VT8 и VT6, VT7.It is in such conditions that the technical result from the introduction of the proposed device is realized. When the output current drops to a set small value, condition (1) is met, which leads to the shutdown of transistors VT5 ... VT8 of the synchronous rectifier. Thus, only the diode conductivity of the elements VU 4 is preserved. Accordingly, the very possibility of reverse current flow from the capacitive storage EH through VU 4, TP 3 and transistors VT1 ... VT4 into the power supply voltage bus is eliminated. In the event of a prolonged drop in voltage E, a natural discharge of energy stored in EH 8 into the load is ensured. When the voltage E is restored, the output current of the VU-4 in the forward direction increases and, when condition (2) is met, the RE 10 switches to the normal state, which leads to the transition of the VU 4 to the nominal mode of operation with the output current closing through alternately opened transistors VT5, VT8 and VT6, VT7.

На фиг. 4 иллюстрируются временные диаграммы выходного напряжения выпрямителя V_B и выходного тока I_B в устройстве-прототипе (пунктирные линии) и предлагаемом устройстве (сплошные линии). Можно видеть, что в устройстве-прототипе, нагруженном на емкостной накопитель, выходное напряжение V_B выпрямителя сохраняет свою амплитуду и через открытые транзисторы выпрямителя замыкается на шины электропитания КУМ. В результате обратный ток I_н практически линейно возрастает согласно выражению:FIG. 4 illustrates the timing diagrams of the output voltage of the rectifier V _B and the output current I _B in the prototype device (dashed lines) and the proposed device (solid lines). It can be seen that in the prototype device loaded on a capacitive storage, the output voltage V _{B of the} rectifier retains its amplitude and is closed to the power supply bus of the CUM through the open transistors of the rectifier. As a result, the reverse current I _n increases almost linearly according to the expression:

где K_T - коэффициент трансформации TP 3,where K _T is the transformation ratio TP 3,

L - индуктивность дросселя ФНЧ 5.L - inductance of LPF choke 5.

В предлагаемом устройстве выходное напряжение V_B при переходе к режиму диодного выпрямления практически не изменяется, обратный ток через выпрямитель отсутствует.In the proposed device, the output voltage V _B during the transition to the diode rectification mode practically does not change, there is no reverse current through the rectifier.

В результате достигается высокая эффективность работы управляемого КПН при исключении аварийного режима работы, связанного с неограниченным нарастанием обратного тока.As a result, a high efficiency of the controlled CPT is achieved with the exclusion of an emergency operation mode associated with an unlimited increase in the reverse current.

Рекомендуемая ширина гистерезиса РЭ 10 Δ=(+U_РЭ)-(-U_РЭ) не должна превышать максимальную амплитуду пульсаций сигнала U_DT на входе релейного элемента, что позволяет исключить высокочастотные переключения сигнала V_p.The recommended width of the RE 10 hysteresis Δ = (+ U _RE ) - (- U _RE ) should not exceed the maximum amplitude of the signal ripple U _DT at the input of the relay element, which makes it possible to exclude high-frequency switching of the signal V _p .

Следует отметить, что выбор порога срабатывания РЭ 10 существенно ниже номинального выходного тока (+U_РЭ<(0,1-0,2) U_DTmax) предполагает переход ВУ 4 в режим диодной проводимости только при весьма малой выходной мощности. При этом некоторое увеличение относительных потерь энергии на остаточных напряжениях диодов практически не сказывается на основных энергетических показателях предлагаемого устройства.It should be noted that the choice of the RE 10 operation threshold is significantly lower than the rated output current (+ U _RE <(0.1-0.2) U _DTmax ) assumes the transition of VU 4 to the diode conduction mode only at a very low output power. At the same time, a slight increase in the relative energy losses at the residual voltages of the diodes practically does not affect the main energy indicators of the proposed device.

Таким образом, введение новых признаков позволяет существенно повысить надежность работы заявляемого КПН и расширить возможность его применения в телекоммуникационном и гидроакустическом оборудовании, особенно в импульсных режимах потребления в условиях резких изменений напряжения электропитания.Thus, the introduction of new features makes it possible to significantly increase the reliability of the claimed CPN and expand the possibility of its application in telecommunications and hydroacoustic equipment, especially in pulsed modes of consumption under conditions of sharp changes in power supply voltage.

На предприятии изготовлены опытные образцы устройства-прототипа и заявляемого устройства, сопоставительные испытания которых при работе на нагрузку через емкостной накопитель и в условиях воздействия дестабилизирующих факторов по напряжению электропитания подтвердили преимущества заявляемого технического решения в повышении надежности работы, в том числе при максимальной выходной мощности. Предлагаемое устройство обеспечило безаварийную работу при сохранении высокой энергетической эффективности, что позволило рекомендовать его внедрение в новых заказах предприятия.The enterprise manufactured prototypes of the prototype device and the claimed device, comparative tests of which when operating on a load through a capacitive storage and under conditions of destabilizing factors on the power supply voltage confirmed the advantages of the proposed technical solution in increasing the reliability of operation, including at maximum output power. The proposed device ensured trouble-free operation while maintaining high energy efficiency, which made it possible to recommend its implementation in new orders of the enterprise.

Источники информацииSources of information

1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера, 2005 г., 602 с.1. Meleshin V.I. Transistor converter technology. - M .: Technosphere, 2005, 602 p.

2. Патент РФ №2586567. Ключевой преобразователь напряжения. Опубл. 17.05.20162. RF patent No. 2586567. Key voltage converter. Publ. 05/17/2016

3. Патент РФ №2692699. Ключевой регулятор напряжения. Опубл. 26.06.2019, бюл. №183. RF patent No. 2692699. Key voltage regulator. Publ. 06/26/2019, bul. No. 18

4. Патент РФ №2013859. Двухтактный фазо-импульсный модулятор. Опубл. 30.05.1999, бюл. №104. RF patent №2013859. Push-pull phase-pulse modulator. Publ. 05/30/1999, bul. No. 10

Claims

Control key voltage converter containing a phase-pulse converter connected by an input to the control bus, and direct and inverse outputs of the master and slave channels to the corresponding inputs of the key power amplifier, the power supply terminals of which are connected to the power supply voltage buses, and the outputs through a matching transformer to the inputs of a synchronous rectifier, as well as a low-pass filter, the output of which is connected to the output voltage bus and through a voltage feedback circuit is connected to the compensation input of the phase-pulse converter, characterized in that it additionally includes a current sensor, a resolution circuit, a relay element, a current feedback circuit and a capacitive storage connected between the output voltage bus and the output of the low-pass filter, the input of which is connected through the current sensor to the output of the synchronous rectifier, the direct and inverse control inputs of which are connected to the first and second outputs of the resolution circuit, the first The th and second inputs of which are connected to the first and second outputs of the leading channel of the phase-pulse converter, and the enable input is connected to the output of the relay element, the input of which is connected through the current feedback circuit to the output of the current sensor.