SU1737666A1

SU1737666A1 - Method of stabilization of output voltage of dc/dc converter

Info

Publication number: SU1737666A1
Application number: SU894693178A
Authority: SU
Inventors: Александр Владимирович Пузаков
Original assignee: Коммунарский горно-металлургический институт
Priority date: 1989-03-09
Filing date: 1989-03-09
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Использование: преобразование и регулирование посто нного напр жени дл систем вторичного электропитани повышенной надежности. Сущность изобретени : преобразователь выполнен на N одинаковых чейках, соединенных по входу параллельно, а по выходу- последовательно . Ячейки управл ютс с периодом NT и взаимным сдвигом на врем Т с помощью задатчика 2 тактовых импульсов, счетчика 3 импульсов с коэффициентом делени N и распределител импульсов на элементах 4- 7. С помощью задатчика 1 числа включенных чеек измен етс режим работы преобразовател , т.е. дискретно измен етс длительность выходного напр жени кратно Т в диапазоне от Т до T(N - 1). При этом измен етс число одновременно работающих чеек и ступенчато-уровень выходного напр жени преобразовател , причем пульсации выходного напр жени минимальны . 4 ил. (Л СUsage: conversion and regulation of constant voltage for secondary power supply systems of increased reliability. The essence of the invention: the converter is made on N identical cells, connected in parallel on the input and in series on the output. The cells are controlled with period NT and mutual shift by time T using a 2 clock pulse setter, a 3-pulse counter with a division factor N and a pulse distributor on elements 4-7. Using the setting unit 1, the number of cells switched on, t. e. The output voltage duration is a discrete change in multiples of T in the range from T to T (N - 1). This changes the number of simultaneously working cells and the stepwise level of the output voltage of the converter, and the ripple of the output voltage is minimal. 4 il. (Ls

Description

кГ,ПKG, P

vi со VI оvi co vi o

О ОOh oh

Изобретение относитс к электротехнике и предназначено дл использовани при реализации вторичных источников электропитани , в частности в регул торах и стабилизаторах посто нного напр жени .The invention relates to electrical engineering and is intended for use in the implementation of secondary power sources, in particular in constant voltage regulators and stabilizers.

Известен способ управлени много чейковым преобразователем посто нного напр жени , силова часть которого выполнена на преобразовательных модул х с раз- личными выходными напр жени ми, заключающийс в формировании сигналов управлени на включение каждого преобразовательного модул в течение заданного промежутка времени.A known method of controlling a multi-cell constant-voltage converter, the power part of which is performed on converter modules with different output voltages, consists in generating control signals for switching on each converter module during a predetermined period of time.

Недостатком известного способа вл етс низка надежность преобразовател , обусловленна сложностью резервировани преобразовательных модулей. Кроме того, способ обладает узкими функциональными возможност ми по регулированию выходного напр жени .A disadvantage of the known method is the low reliability of the converter, due to the complexity of the redundancy of the converter modules. Furthermore, the method has narrow functionality for controlling the output voltage.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому вл етс способ регулировани выходного напр жени преобразовател посто нного напр жени , выполненного на N идентичных чейках, управление которыми выполн ют со взаимным фазовым сдвигом по времени Т и периодом NT, формиру на выходе каждой чейки напр жение длительностью М, затем суммируют выходные напр жени чеек и подают на выходные выводы преобразовател .The closest in technical essence and the achieved result to the proposed is a method of controlling the output voltage of a constant voltage converter made on N identical cells, which are controlled with a mutual phase shift in time T and period NT, forming at the output of each cell M, then sum the output voltages of the cells and supply the output pins of the converter.

Использование данного способа расшир ет возможности регулировани выходного напр жени и повышает надежность преобразовател . Однако возрастают его габариты и масса, обусловленные установкой мощного выходного фильтра, необходимого дл сглаживани пульсаций выходного напр жени .Using this method expands the possibilities of controlling the output voltage and increases the reliability of the converter. However, its dimensions and mass increase due to the installation of a powerful output filter necessary for smoothing the output voltage pulsations.

Цель изобретени -уменьшение массы и габаритов преобразовател .The purpose of the invention is to reduce the mass and size of the converter.

Поставленна цель достигаетс тем, что в способе регулировани выходного напр жени преобразовател посто нного напр жени , выполненного на N идентичных чейках, управление которыми выполн ют со взаимным фазовым сдвигом по времени Т и периодом NT, формиру на выходе каждой чейки напр жение длительностью М, затем суммируют выходные напр жени чеек и подают на выходные выводы преобразовател , указанную длительность М выбирают кратной Т в диапазоне от Т до T(N-1).The goal is achieved by the fact that in the method of controlling the output voltage of a constant voltage converter, made on N identical cells, which are controlled with a mutual phase shift in time T and period NT, the output voltage of duration M is then output summarize the output voltages of the cells and feed them to the output pins of the converter; the specified duration M is chosen as a multiple of T in the range from T to T (N-1).

На фиг. 1 представлена функциональна схема одного из вариантов системы управлени много чейковым преобразователем посто нного напр жени , реализующим предлагаемый способ; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов в системе управлени ; на фиг. 3 и 4 - варианты построени задатчиков кода включенногоFIG. Figure 1 shows a functional diagram of one of the variants of a multi-cell constant voltage converter control system implementing the proposed method; in fig. 2 - timing charts of signals in the control system; in fig. 3 and 4 - options for building the setters of the code included

5 состо ни чеек преобразовател .5 states of converter cells.

Способ реализуетс следующим образом .The method is implemented as follows.

В преобразователе посто нного напр жени , состо щем из N идентичных чеек,In a DC converter, consisting of N identical cells,

0 которые соедин ютс между собой по входу параллельно,а по входу - последовательно, управление чейками осуществл ют со взаимным фазовым сдвигом по времени Т и периодом NT. При этом длительность управ5 л ющего сигнала, а соответствен но и выходного напр жени чеек выполн ют равной М, причем длительность М выбирают кратной Т в диапазоне от Т до T(N-1). Дл фор- мировани выходного напр жени 0 which are interconnected at the input in parallel, and at the input in series, the cells are controlled with a mutual phase shift in time T and period NT. In this case, the duration of the control signal, and, accordingly, the output voltage of the cells, is equal to M, and the duration M is chosen as a multiple of T in the range from T to T (N-1). To form the output voltage

0 преобразовател суммируют выходные напр жени всех чеек.0 converter summarizes the output voltages of all cells.

Пример. Преобразователь посто нного напр жени состоит из четырех чеек, соединенных по входу параллельно, а поExample. The constant voltage converter consists of four cells connected in parallel to the input, and

5 выходу - последовательно, и выполн ет функции регул тора посто нного напр жени . Следовательно, выходное напр жение преобразовател может принимать значени в диапазоне 0-4Е, где Е - выходное5 to the output is sequential, and performs the functions of a dc voltage regulator. Consequently, the output voltage of the converter can take values in the range of 0-4E, where E is the output

0 напр жение одной чейки. Предположим, что выходное напр жение преобразовател должно быть 2Е. Такого состо ни можно достичь несколькими пут ми. Во-первых, можно включить в работу все четыре чейки0 voltage of one cell. Suppose the output voltage of the converter is 2E. This state can be achieved in several ways. First, you can enable all four cells.

5 одновременно и, управл ими в широтно- модулированном режиме, обеспечить на выходе среднее значение выходного напр жени , равное 2Е. Это требует установки на выходе чеек значительных фильт0 ров, что увеличивает габариты и массу преобразовател . Во-вторых, можно включить на посто нную работу две чейки преобразовател , отключив остальные. Это также обеспечит на выходе напр жение 2Е.5 at the same time and, controlling them in a width-modulated mode, to provide at the output an average value of the output voltage equal to 2E. This requires installation of large filters at the output of the cells, which increases the size and weight of the converter. Secondly, it is possible to turn on the two cells of the converter for permanent operation by disconnecting the rest. This will also provide a voltage of 2E at the output.

5 При этом следует учитывать, что все чейки должны выполн тьс на максимальную мощность, что также ведет к увеличению габаритов и массы преобразовател .5 It should be borne in mind that all cells must be made at maximum power, which also leads to an increase in the size and mass of the converter.

В соответствии с предлагаемым спосо0 бом управление чейками осуществл ют со сдвигом по времени Т и периодом NT, формиру на выходе каждой чейки напр жение длительностью М. Затем аналогичным образом суммируют напр жение всех чеек.In accordance with the proposed method, the cell is controlled with a time shift T and a period NT, forming a voltage of duration M at the output of each cell. Then, the voltage of all cells is summed up in the same way.

5 Например, в данном конкретном случае в течение определенного промежутка времени Т включают в работу первую и вторую чейку (фиг. 2, интервал ). На втором интервале времени Т (фиг. 2, интервал )5 For example, in this particular case, within a certain period of time T, the first and second cells are put into operation (Fig. 2, interval). In the second time interval T (Fig. 2, interval)

в работу включают третью чейку и одновременно выключают первую. На третьем интервале времени (фиг. 2, интервал t2-ta) выключают вторую чейку и включают в работу четвертую. На следующем интервале цикла (фиг. 2, интервал t3-t4) выключают третью чейку, а включают первую. По истечении четвертого интервала времени Т (фиг. 2, момент ) цикл заканчиваетс и преобразователь устанавливаетс в исходное состо ние, соответствующее включенному состо нию первой и второй чеек и выключенному состо нию третьей и четвертой чеек. Число одновременно включенных чеек в данном режиме всегда равно двум и выходное напр жение равно 2Е.The third cell is switched on and simultaneously the first one is turned off. In the third time interval (Fig. 2, the interval t2-ta) turn off the second cell and turn on the fourth one. At the next cycle interval (Fig. 2, t3-t4 interval), turn off the third cell, and turn on the first one. After the fourth time interval T (Fig. 2, moment), the cycle ends and the converter is reset to the first and second cells and the third and fourth cells are turned off. The number of cells simultaneously turned on in this mode is always two and the output voltage is 2E.

На фиг. 2 в правой части диаграммы проиллюстрированы процессы в преобразователе при формировании выходного на- пр жени , равного ЗЕ. При этом длительность включенного состо ни каж- дои из чеек составл ет ЗТ.FIG. 2 on the right side of the diagram illustrates the processes in the converter during the formation of the output voltage equal to WE. In this case, the duration of the on state of each of the cells amounts to 3T.

Интервал времени Т можно выбрать, например , исход из посто нной времени т нагрева чеек, вход щих в состав преобразовател , по соотношению 0,01 ,1г. The time interval T can be chosen, for example, based on the constant time t of heating cells included in the converter, according to a ratio of 0.01, 1 g.

Система управлени (фиг. 1) состоит из задатчика числа включенных преобразовательных чеек 1, генератора 2 тактовых импульсов , счетчика 3 с коэффициентом делени N и числом, равным N распредели- телей 4-7 импульсов, и логических элементов И 8-11 с числом входов, равным N. В приведенном варианте N 4. В качестве распределителей импульсов могут быть использованы , например, демультиплексоры или стробируемые дешифраторы.The control system (Fig. 1) consists of a control unit for the number of included converter cells 1, a generator of 2 clock pulses, a counter 3 with a division factor of N and a number equal to N distributors of 4-7 pulses, and logic elements AND 8-11 with the number of inputs equal to N. In the above embodiment, N 4. As pulse distributors, for example, demultiplexers or gated decoders can be used.

Схема системы управлени выполнена следующим образом.The control system is designed as follows.

Выходы задатчика числа включенных преобразовательных чеек 1 подключены к информационным входам распределителей 4-7 импульсов, адресные входы которых подключены к соответствующим выходам счетчика 3, вход которого соединен с выходом генератора 2 тактовых импульсов, вы- рабатывающего тактовые импульсы с периодом Т. Первые выходы распределителей 4-7 импульсов подключены к первым входам соответствующих им логических элементов И 8-11, т.е. первый вход условно первого распределител импульсов, в данном случае распределител 4, подключен к первому входу условно первого элемента И, в данном случае элемента И 8, управл ющего работой условно первой преобразова- тельной чейки. Вторые выходы распределителей импульсов соединены с вторыми входами логических элементов И с условным номером,, на единицу большим,The outputs of the setpoint of the number of switched on converting cells 1 are connected to the information inputs of the distributors 4-7 pulses, the address inputs of which are connected to the corresponding outputs of the counter 3, whose input is connected to the output of the generator 2 clock pulses generating clock pulses with a period T. -7 pulses are connected to the first inputs of the corresponding logical elements AND 8-11, i.e. The first input conventionally of the first pulse distributor, in this case, the distributor 4, is connected to the first input of the conventionally first element AND, in this case the element 8, controlling the operation of the conditionally first conversion cell. The second outputs of the pulse distributors are connected to the second inputs of the logic elements AND with a conventional number, one large,

т.е. второй выход первого распределител импульсов (распределитель 4 импульсов) соединен с вторым входом второго элемента И, в данном случае элемента И 9. Второй выход последнего распределител импульсов , в данном случае распределител 7, св зан с вторым входом первого логического элемента И, т.е. элемента И 8. Третьи выходы распределителей импульсов подключены к третьим входам логических элементов И с соответствующим условным номером, большим на два, и т.д.. Дальнейшее построение схемы аналогично. Выходы логических элементов И 8-11 вл ютс выходами системы управлени и подлючаетс к входам управлени преобразовательных чеек.those. The second output of the first pulse distributor (pulse distributor 4) is connected to the second input of the second element AND, in this case, element 9. The second output of the last pulse distributor, in this case distributor 7, is connected to the second input of the first logic element AND, i.e. . element And 8. The third outputs of the pulse distributors are connected to the third inputs of logic elements And with the corresponding conditional number, big by two, and so on. Further construction of the circuit is similar. The outputs of the logic elements And 8-11 are the outputs of the control system and are connected to the control inputs of the converter cells.

Задатчик числа включенных преобразовательных чеек 1 дл данной схемы системы управлени вырабатывает на выходе заполн ющий код числа таким образом, чтобы число логических уровней 1 в коде соответствовало необходимому числу включаемых в работу чеек или отношению интервала времени М к Т. Например, при N 4 и выходном напр жении преобразовател , равном 2Е, что соответствует двум работающим преобразовательным чейкам, вырабатываемые кодовые комбинации могут иметь вид: 1100, 0110, 0011, 1001. 1010, 0101.The set number of the included conversion cells 1 for the given control system circuit generates a filling code of the number at the output so that the number of logic levels 1 in the code corresponds to the required number of cells to be included in the operation or the ratio of the time interval M to T. For example, with N 4 and output the voltage of the converter is 2E, which corresponds to two working conversion cells, the generated code combinations can be: 1100, 0110, 0011, 1001. 1010, 0101.

Возможные варианты построени задатчика кода такого типа показаны на фиг. 3 и 4 дл программного и электронного управлени преобразователем посто нного напр жени соответственно. В схеме на фиг. 3 с помощью переключател 12, подключающего разрешающий уровень 1 к входам соответствующих логических элементов ИЛИ 17-20, можно получить на выходах этих элементов заполн ющий код числа. На неиспользуемых входах логических элементов ИЛИ 17-20 уровень О обеспечиваетс с помощью резисторов 13- 16.Possible options for building a master of this type of code are shown in FIG. 3 and 4 for software and electronic control of the DC / DC converter, respectively. In the diagram in FIG. 3, using switch 12, which connects the enabling level 1 to the inputs of the corresponding OR 17–20 logic elements, can be obtained at the outputs of these elements a filling code of the number. At unused inputs of logic elements OR 17-20, level O is provided by resistors 13-16.

В схеме на фиг. 4 заполн ющий код необходимого числа формируетс на выходах компараторов 26-29, осуществл ющих сравнение входного сигнала управлени Uy с заранее определенными опорными уровн ми напр жений, реализованными с помощью делител напр жени Uon на резисторах 21-24. Данна схема может быть использована при введении в систему управлени преобразователем электрических аналоговых св зей (управл ющих, стабилизирующий по цепи обратной св зи и т.д.).In the diagram in FIG. 4, the fill code of the required number is generated at the outputs of the comparators 26-29, which compare the control input signal Uy with the predetermined reference voltage levels realized with the help of the voltage divider Uon at the resistors 21-24. This scheme can be used when introducing electrical analog connections into the control system of the converter (controlling, stabilizing along the feedback circuit, etc.).

Схема системы управлени (фиг. 1), реализующа способ, работает следующим образом.The control system diagram (Fig. 1) that implements the method works as follows.

Сигналы управлени дл включени в работу преобразовательных чеек, сформированные в виде заполн ющего кода, с выхода задатчика 1 кода через распределители 4-7 импульсов поступают на входы логических элементов И 8-11. Через распределитель импульсов сигнал на соответствующий выход проходит в пр мом коде, на остальных выходах распределител импульсов присутствует 1. В зависимости от состо ни счетчика 3 измен етс состо ние распределителей 4-7 импульсов, и импульсы управлени дл включени в работу поступают на управл ющие входы соответствующих чеек.The control signals for switching conversion cells, formed in the form of a fill code, from the output of the unit 1 code through the distributors 4-7 pulses are fed to the inputs of logic gates And 8-11. Through the pulse distributor, the signal to the corresponding output passes in the forward code, the remaining outputs of the pulse distributor are present 1. Depending on the state of the counter 3, the status of the distributors 4-7 pulses changes, and the control pulses go to the control inputs for switching corresponding cells.

Особенности работы системы управлени иллюстрируютс диаграммой (фиг. 2), где видно, что в процессе работы происходит циклическое переключение преобразовательных чеек (сигналы 8-11) таким образом, что все чейки участвуют в работе с одинаковой средней загрузкой. Число одновременно участвующих в работе чеек соответствует заданному выходному напр жению , например, как показано на фиг. 2 The features of the control system are illustrated by a diagram (Fig. 2), where it can be seen that in the process of operation, the conversion cells (signals 8-11) cyclically switch in such a way that all cells participate in work with the same average load. The number of cells simultaneously participating in the operation corresponds to a given output voltage, for example, as shown in FIG. 2

это две чейки в первой части диаграммы и три чейки во второй части диаграммы.these are two cells in the first part of the diagram and three cells in the second part of the diagram.

Таким образом, предлагаемый способ управлени позвол ет распределить мощность преобразовател по всем вход щим в него чейкам, обеспечить формирование выходного напр жени с минимумом пульсаций , что, в свою очередь, дает возможность резко упростить выходной фильтр и как следствие уменьшить габариты и массу преобразовател в целом.Thus, the proposed control method allows the converter power to be distributed over all the cells entering it, ensuring the formation of an output voltage with a minimum of pulsations, which, in turn, makes it possible to drastically simplify the output filter and, as a result, reduce the overall size and weight of the converter as a whole. .

Claims

Claims The method of controlling the output voltage of a constant voltage converter, made on N identical cells, which are controlled with a mutual shift in time T and a period NT, forms a voltage of duration M at the output of each cell, then sum the output voltages of cells and served on the output pins of the converter, characterized in that, in order to reduce the weight and size of the converter, the specified duration M is chosen as a multiple of T in the TT (N-1) range.

/ hea 4 -

/

W .3

flfl

#o 4